【导读】碳化硅在轨道交通领域越来越”抢手“。2个月前，西安一SiC地铁线路将开展装车和试验；近日，又有2列SiC列车分别实现载客运营、斩获大订单。
阿尔斯通：SiC列车实现载客运营
5月26日，阿尔斯通宣布，其在华合资企业——江苏新誉阿尔斯通牵引系统有限公司（ANP）研发生产的新一代碳化硅永磁电机牵引系统在一列成都7号线增购列车上成功运用，实现载客运营。
据介绍，ANP的新一代碳化硅永磁电机牵引系统采用了高频、高结温、低损耗的全碳化硅功率器件和高效率永磁同步电机创新技术，为列车牵引提供了30%的能源减耗。
阿尔斯通一直致力于交通领域的绿色化、可持续发展。此前，阿尔斯通已着手研发能全面采用碳化硅材料的Vasteras TC1500新牵引链，并在斯德哥尔摩进行了测试，为此次SiC成功“上车”提供了蓝本。
日立、东芝：获台湾63亿元SiC列车订单
5月18日，据日媒报道，由日立、东芝、东芝基础设施系统等组成的日立东芝至尊财团（HTSC）宣布，他们获得了来自台湾高铁运营商价值约为1240亿日元（约63亿人民币）的12列（144节车厢）列车订单。
据悉，HTSC计划从 2026 年开始，向台湾高铁运营交付日本中部铁路公司最新SiC列车车型N700S。它搭载了由SiC器件与运行风冷系统相结合的驱动系统。SiC功率模块由东芝、日立、富士电机和三菱电机负责，其中东芝、日立和富士电提供配备SiC二极管的混合型模块，而三菱电机提供全碳化硅模块。
2020年7月，N700S正式在日本东海道新干线载客运营。因采用了碳化硅技术，列车牵引逆变器尺寸和重量减少了40%，逆变器损耗降低了35%。
此外，该列车还配备了锂离子电池（SCiBTM），即使在停电的情况下也能自行低速运行。
碳化硅改变轨道交通牵引系统变革
随着轨道交通的高速发展，电能消耗日益成为轨道交通车辆运营的关注重点，为此，轨道交通牵引变流系统对功率半导体器件的性能、效率、损耗、体积、寿命和成本等方面提出了更高要求。碳化硅（SiC）宽禁带半导体材料具有高临界场强、高载流子饱和速度和高热导率等优势，使得SiC金属-氧化物半导体场效应晶体管等功率半导体器件具备更大电流密度、更快开关速度、更低开关损耗和更高工作温度等优点，有助于轨道交通牵引变流系统小型化、轻量化发展，在轨道交通车辆运营的绿色节能要求下具有显著应用优势。
碳化硅功率器件是轨道交通领域的关键器件。SiC器件在轨道交通领域的应用主要有两种技术方案：混合SiC模块和全SiC模块。以SiC肖特基势垒二极管和Si绝缘栅双极型晶体管组成的混合SiC器件性能和可靠性在轨道交通牵引变流系统和辅助变流系统中被大量验证和应用，以三菱和中国中车为代表的主要SiC功率器件厂商正在推进具有更优性能的全SiC模块的研发、验证和推广。
利用SiC高击穿电场的材料优势，在相同耐压性能前提下，SiC单极器件可以带来更低的导通损耗和开关损耗，以及更高工作温度等性能提升。在不久的未来，随着SiC晶圆材料成本的降低、SiC芯片量产和封装技术能力的提升，SiC芯片和模块必将成为轨道交通应用的主流，这一趋势也进一步助推轨道交通牵引变流系统向着高频化、小型化、轻量化的方向发展。
碳化硅成燃料电池系统标配？
中车、致瞻等企业已入局
行业专家表示，在燃料电池系统中，空压机、高压大功率DC/DC是核心部件，这两个部分都离不开碳化硅技术，碳化硅甚至对燃料电池汽车的效率、紧凑性等都有着重要影响。
简单来讲，燃料电池列车的原理是将氢气和氧气通过化学反应结合，从而产生电能，为列车提供动力。在空气供应系统中，空气被压缩机吸入并压缩，进入燃料电池，其性能好坏直接影响燃料电池系统的性能。空气系统占BOP总成本的40%，其功耗约占BOP总功耗的80%，因此空压机的设计目标是提高效率，降低成本。
离心式空压机是燃料电池的主流空压机，为了让空压机获得高压比和高功率密度，需要通过电力电子驱动器带动电机高速旋转，以推动同轴叶轮，电机的额定转速通常在每分钟9-12万转，这对电力电子驱动器的控制性能及稳定性产生了巨大的挑战,而碳化硅技术可以很好地满足其高速和高效率等需求。
在空压机驱动器方面，国内企业致瞻科技于2020年推出SiCTeXTM全碳化硅电驱系统，最高可实现4000Hz高频率输出，能驱动一对极电机达到240000rpm超高转速。
据致瞻官网介绍，他们的碳化硅先进电驱系统和Z碳化硅功率模块，已经成功应用于燃料电池汽车等领域，已获得上汽捷氢、中国中车、长城汽车等企业的批量订单，在氢能源汽车空压机驱动领域占据60%以上的国内市场份额。
DC-DC方面，2020年8月，中车时代电动汽车股份有限公司宣布成功研制出碳化硅大功率燃料电池DC/DC变换器，而且获得某大型车企400套氢燃料电池系统核心部件订单，成为国内首个商业化应用的SiC大功率燃料电池DC/DC变换器。
据介绍，相比传统基于IGBT模块变换器产品，中车的变换器开关频率提升4倍以上、功率密度提升3倍以上，系统平均效率大于97%，最高效率可达99%。
说起碳化硅功率器件，我们第一想到的就是新能源汽车高压快充系统，但碳化硅优势这么多，除了汽车和上述提到的轨道交通列车以外，还会在领域发光发热呢？
碳化硅的其他应用领域
光伏发电领域
在光伏发电的应用中，以硅基器件为基础的传统逆变器造价基本大约在系统造价的10%以上，但它是系统能量损耗最重要的来源之一。
采用碳化硅MOSFET或者碳化硅MOSFET+碳化硅SBD组合功率模块的光伏逆变器转换，效率可以由96%提高到99%以上，能量损耗减少50%以上，设备循环寿命提高50倍，因此可以减小系统体积，提高功率密度，延长设备使用寿命，降低生产成本。
高效，高功率密度，高可靠，低成本等特点是光伏逆变器未来发展的趋势。
在组串式与集中式光伏逆变器领域，碳化硅产品有望逐步取代硅基器件。
智能电网领域
与其他电力电子器件相比，电力系统需要更高的电压、更大的功率容量以及更高的可靠性。
碳化硅器件突破了硅基功率半导体器件在大电压、高功率与高温度上的局限性，并带来高频率、高可靠性、高效率、低损耗的特殊优点。
在固态变压器、柔性交流输电、柔性直流输电、高压直流输电以及配电系统在应用中促进了智能电网发展与转型。
除此之外，碳化硅功率器件还已经在风力发电、工业电源以及航空航天等行业取得了成熟的应用。
来源：贤集网
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