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前沿技术文章:开拓环境新时代并为未来铁路提供支持的电容器

电力电子设备*1能高效地转换和控制电力,其作为解决环境和能源问题的关键技术之一正受到广泛的关注。

电力电子设备*1能高效地转换和控制电力,其作为解决环境和能源问题的关键技术之一正受到广泛的关注。ModCap™是 TDK 开发的一系列电力电子电容器,用于铁路和可再生能源系统,可实现前所未有的创新解决方案。

提高铁路环保性能所面临的技术挑战

随着人们对环境问题的日益关注,从卡车过渡到能够进行大规模运输的铁路和船舶的货物运输“形态转换”已成为外界关注的焦点。特别是铁路,其每单位运输的 CO₂  排放量最低,可以说是最环保的运输模式。随着新兴国家的经济增长,人们对于运输的需求不断增加,对铁路的期望也越来越高。

日本每单位运输的 CO₂ 排放量

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来源:日本国土交通省观光厅

比较了日本国内客运和货运每单位运输的二氧化碳排放量(效率指标)。


在注重环保的时代,人们期望轨道车辆能比过去节约更多的能源。实现这一目标的关键就是发展能够利用功率半导体*2 来控制和转换电力的电子技术。用电时,部分能量会不可避免地转换为热。这部分被浪费的能源称为功率损耗,因此尽可能地降低功率损耗有助于提高能源使用效率。轨道车辆中的电力电子设备具体是指用来控制电机的逆变器和其他设备。逆变器中的功率半导体将直流电转换为交流电,从而控制电机的旋转,使其有助于减少功率损耗。逆变器中的电容器通过平滑直流电流将直流电转换为交流电从而对电源转换过程提供支持。

逆变器的工作原理(示例)

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首先将输入的交流电(固定频率)转换为直流电。使用电容器将电压调节到一个恒定的水平,然后用逆变器将其转回为交流电。功率半导体在逆变器电路内部完成从直流电到交流电的转换。

尽管市面上有很多种功率半导体,IGBT*3 仍然是目前用于控制电力的主流设备。由于其具有高频开关功能,不仅可以最大限度地降低功率损耗,且耐高压,非常适合在大电流环境下使用。然而,就电力电子设备的整体发展来看,尽管 IGBT 和其他功率半导体的性能有所提升,与其配套使用的电容器*4 的性能升级也是一个关键问题。

打破传统惯例的开创性电力电子电容器解决方案

电力电子设备中使用的电容器尤其需要小巧轻便,从而节省轨道车辆上的空间,同时还要足够可靠和耐用才能承受振动和恶劣的温度环境。鉴于大型基础设施系统的性质,一般来说,轨道车辆的电容器每次都是根据客户的规格来设计和制造的。但是,定制产品需要更长的开发时间,这也导致成本更加高昂。

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ModCap 是由 TDK 开发的、用来补充 IGBT 的一系列电力电子电容器。它打破了行业规范,率先成功实现了标准化和模块化。该产品有三个主要特点使其脱颖而出。

首先是通过使用最新、最先进的电容器设计规则,以及优化 ModCap 和半导体之间的机械耦合,实现了尺寸和重量的双减。ModCap 使用矩形塑料外壳替代了传统的 MKK 定制解决方案,最大程度地缩小体积,减轻重量并提高了能量密度。这有助于缩小铁路电力系统的整体尺寸。 

其次是拥有卓越的可靠性和耐用性。能够耐受高达 90°C 的热点温度(内部操作温度最高的点),而过去的极限温度是 85°C。它还达到了铁路防火和防烟的最高标准。

第三,它在业内率先成功实现了标准化和模块化。过去需要定制设计的个人需求现在可以通过具有广泛规格的标准化产品线来满足。上市时间大幅缩短,同时成本大幅降低。

电力电子电容器的外形比较

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可再生能源以及工业设备的理想选择

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图:Victor Alcaide Lozano(工业工程师/总监,大功率电容器产品营销部门,铝和薄膜电容器BG,TDK Electronics Components)

Victor Alcaide Lozano 是 TDK 集团旗下子公司 TDK Electronics Components 的工程师兼 PEC 大功率电容器的产品营销总监,他描述了 ModCap 的未来前景。“由于 ModCap 不仅适用于铁路,还是可再生能源系统及中低压工业设备中逆变器的理想元件,因此我们预计市场对 ModCap 的需求会在未来进一步增长。当前,功率半导体的主要材料是硅,但我们已经在准备一个能够与碳化硅 (SiC)*5 一起使用的 ModCap 版本,而碳化硅被广泛认为是新一代材料。”

与基于硅的功率半导体相比,基于 SiC 的功率半导体有望实现更低的功率损耗。在开发创新型电力电容器的过程中,TDK 通过实现铁路和可再生能源的高效功率控制和转换功能,促进能源的有效利用,为实现脱碳社会做出贡献。

ModCap 的主要应用领域

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ModCap 是与大型 IGBT 逆变器搭配使用的一系列电容器,适用于太阳能和风能、铁路和工业系统。

用于直流链的 ModCap™

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ModCap 的电容范围为 365 - 3900 µF,电压范围为 900 - 2300 伏,低 ESL,寿命长达 20 万小时。


术语解说

*1. 电力电子技术:使用半导体设备转换并控制电力的相关技术。从家庭和办公室到大型系统和工厂,电力电子技术在高效利用电力能源方面发挥着重要作用。

*2. 功率半导体:用于控制和转换电力的半导体的通称。常见的例子有功率晶体管、晶闸管和二极管。

*3. IGBT:Insulated Gate Bipolar Transistor(绝缘栅双极型晶体管)的缩写,一种功率半导体设备。

*4. 电容器:三大无源电子元件之一,其余两者为电阻和电感器。当直流电压施加到电容器上时,它不传导电流而是储存电荷,而交流电压电流则可以通过。电容器的电荷储存特性使其可用于电源中的电路整流和平滑,而通交流特性则使其可用于滤波器和阻抗匹配。

*5. 碳化硅 (SiC):一种由硅 (Si) 和碳 (C) 组成的复合半导体材料。


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