【導(dǎo)讀】電力電子設(shè)備*1能高效地轉(zhuǎn)換和控制電力，其作為解決環(huán)境和能源問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)之一正受到廣泛的關(guān)注。ModCap? 是TDK開(kāi)發(fā)的一系列電力電子電容器，用于鐵路和可再生能源系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)前所未有的創(chuàng)新解決方案。
隨著人們對(duì)環(huán)境問(wèn)題的日益關(guān)注，從卡車(chē)過(guò)渡到能夠進(jìn)行大規(guī)模運(yùn)輸?shù)蔫F路和船舶的貨物運(yùn)輸“形態(tài)轉(zhuǎn)換”已成為外界關(guān)注的焦點(diǎn)。特別是鐵路，其每單位運(yùn)輸?shù)?CO? 排放量最低，可以說(shuō)是最環(huán)保的運(yùn)輸模式。隨著新興國(guó)家的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，人們對(duì)于運(yùn)輸?shù)男枨蟛粩嘣黾樱瑢?duì)鐵路的期望也越來(lái)越高。
下圖比較了日本國(guó)內(nèi)客運(yùn)和貨運(yùn)每單位運(yùn)輸?shù)亩趸寂欧帕俊＃ㄐ手笜?biāo)）
圖1 來(lái)源：日本國(guó)土交通省觀光廳
在注重環(huán)保的時(shí)代，人們期望軌道車(chē)輛能比過(guò)去節(jié)約更多的能源。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵就是發(fā)展能夠利用功率半導(dǎo)體*2 來(lái)控制和轉(zhuǎn)換電力的電子技術(shù)。用電時(shí)，部分能量會(huì)不可避免地轉(zhuǎn)換為熱。這部分被浪費(fèi)的能源稱(chēng)為功率損耗，因此盡可能地降低功率損耗有助于提高能源使用效率。軌道車(chē)輛中的電力電子設(shè)備具體是指用來(lái)控制電機(jī)的逆變器和其他設(shè)備。逆變器中的功率半導(dǎo)體將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，從而控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，使其有助于減少功率損耗。逆變器中的電容器通過(guò)平滑直流電流將直流電轉(zhuǎn)換為交流電從而對(duì)電源轉(zhuǎn)換過(guò)程提供支持。
首先將輸入的交流電（固定頻率）轉(zhuǎn)換為直流電。使用電容器將電壓調(diào)節(jié)到一個(gè)恒定的水平，然后用逆變器將其轉(zhuǎn)回為交流電。功率半導(dǎo)體在逆變器電路內(nèi)部完成從直流電到交流電的轉(zhuǎn)換。
圖2
盡管市面上有很多種功率半導(dǎo)體，IGBT*3 仍然是目前用于控制電力的主流設(shè)備。由于其具有高頻開(kāi)關(guān)功能，不僅可以最大限度地降低功率損耗，且耐高壓，非常適合在大電流環(huán)境下使用。然而，就電力電子設(shè)備的整體發(fā)展來(lái)看，盡管 IGBT 和其他功率半導(dǎo)體的性能有所提升，與其配套使用的電容器*4 的性能升級(jí)也是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。
電力電子設(shè)備中使用的電容器尤其需要小巧輕便，從而節(jié)省軌道車(chē)輛上的空間，同時(shí)還要足夠可靠和耐用才能承受振動(dòng)和惡劣的溫度環(huán)境。鑒于大型基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的性質(zhì)，一般來(lái)說(shuō)，軌道車(chē)輛的電容器每次都是根據(jù)客戶(hù)的規(guī)格來(lái)設(shè)計(jì)和制造的。但是，定制產(chǎn)品需要更長(zhǎng)的開(kāi)發(fā)時(shí)間，這也導(dǎo)致成本更加高昂。
ModCap 是由TDK開(kāi)發(fā)的、用來(lái)補(bǔ)充 IGBT 的一系列電力電子電容器。它打破了行業(yè)規(guī)范，率先成功實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化。有三個(gè)主要特點(diǎn)使該產(chǎn)品脫穎而出。
首先是通過(guò)使用最新、最先進(jìn)的電容器設(shè)計(jì)規(guī)則，以及優(yōu)化 ModCap 和半導(dǎo)體之間的機(jī)械耦合，實(shí)現(xiàn)了尺寸和重量的雙減。ModCap 使用矩形塑料外殼替代了傳統(tǒng)的 MKK 定制解決方案，最大程度地縮小體積，減輕重量并提高了能量密度。這有助于縮小鐵路電力系統(tǒng)的整體尺寸。
其次是擁有卓越的可靠性和耐用性。能夠耐受高達(dá) 90°C 的熱點(diǎn)溫度（內(nèi)部操作溫度最高的點(diǎn)），而過(guò)去的極限溫度是 85°C。它還達(dá)到了鐵路防火和防煙的最高標(biāo)準(zhǔn)。
第三，它在業(yè)內(nèi)率先成功實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化。過(guò)去需要定制設(shè)計(jì)的個(gè)人需求現(xiàn)在可以通過(guò)具有廣泛規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品線(xiàn)來(lái)滿(mǎn)足。上市時(shí)間大幅縮短，同時(shí)成本大幅降低。
圖3
Victor Alcaide Lozano 是TDK集團(tuán)旗下子公司 TDK Electronics Components 的工程師兼 PEC 大功率電容器的產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)總監(jiān)，他描述了 ModCap 的未來(lái)前景。“由于 ModCap 不僅適用于鐵路，還是可再生能源系統(tǒng)及中低壓工業(yè)設(shè)備中逆變器的理想元件，因此我們預(yù)計(jì)市場(chǎng)對(duì) ModCap 的需求會(huì)在未來(lái)進(jìn)一步增長(zhǎng)。當(dāng)前，功率半導(dǎo)體的主要材料是硅，但我們已經(jīng)在準(zhǔn)備一個(gè)能夠與碳化硅 (SiC)*5 一起使用的 ModCap 版本，而碳化硅被廣泛認(rèn)為是新一代材料。”
與基于硅的功率半導(dǎo)體相比，基于 SiC 的功率半導(dǎo)體有望實(shí)現(xiàn)更低的功率損耗。在開(kāi)發(fā)創(chuàng)新型電力電容器的過(guò)程中，TDK通過(guò)實(shí)現(xiàn)鐵路和可再生能源的高效功率控制和轉(zhuǎn)換功能，促進(jìn)能源的有效利用，為實(shí)現(xiàn)脫碳社會(huì)做出貢獻(xiàn)。
ModCap 是與大型 IGBT 逆變器搭配使用的一系列電容器，適用于太陽(yáng)能和風(fēng)能、鐵路和工業(yè)系統(tǒng)。
ModCap 的電容范圍為 365 - 3900 μF，電壓范圍為 900 - 2300 伏，低 ESL，壽命長(zhǎng)達(dá) 20 萬(wàn)小時(shí)。
1. 電力電子技術(shù)：使用半導(dǎo)體設(shè)備轉(zhuǎn)換并控制電力的相關(guān)技術(shù)。從家庭和辦公室到大型系統(tǒng)和工廠，電力電子技術(shù)在高效利用電力能源方面發(fā)揮著重要作用。
2. 功率半導(dǎo)體：用于控制和轉(zhuǎn)換電力的半導(dǎo)體的通稱(chēng)。常見(jiàn)的例子有功率晶體管、晶閘管和二極管。
3. IGBT：Insulated Gate Bipolar Transistor（絕緣柵雙極型晶體管）的縮寫(xiě)，一種功率半導(dǎo)體設(shè)備。
4. 電容器：三大無(wú)源電子元件之一，其余兩者為電阻和電感器。當(dāng)直流電壓施加到電容器上時(shí)，它不傳導(dǎo)電流而是儲(chǔ)存電荷，而交流電壓電流則可以通過(guò)。電容器的電荷儲(chǔ)存特性使其可用于電源中的電路整流和平滑，而通交流特性則使其可用于濾波器和阻抗匹配。
5. 碳化硅 (SiC)：一種由硅 (Si) 和碳 (C) 組成的復(fù)合半導(dǎo)體材料。
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