【導讀】電力電子設備*1能高效地轉換和控制電力，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，可實(shí)現前所未有的創(chuàng )新解決方案。
隨著(zhù)人們對環(huán)境問(wèn)題的日益關(guān)注，從卡車(chē)過(guò)渡到能夠進(jìn)行大規模運輸的鐵路和船舶的貨物運輸“形態(tài)轉換”已成為外界關(guān)注的焦點(diǎn)。特別是鐵路，其每單位運輸的 CO? 排放量最低，可以說(shuō)是最環(huán)保的運輸模式。隨著(zhù)新興國家的經(jīng)濟增長(cháng)，人們對于運輸的需求不斷增加，對鐵路的期望也越來(lái)越高。
下圖比較了日本國內客運和貨運每單位運輸的二氧化碳排放量。（效率指標）
圖1 來(lái)源：日本國土交通省觀(guān)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)去節約更多的能源。實(shí)現這一目標的關(guān)鍵就是發(fā)展能夠利用功率半導體*2 來(lái)控制和轉換電力的電子技術(shù)。用電時(shí)，部分能量會(huì )不可避免地轉換為熱。這部分被浪費的能源稱(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)輛中的電力電子設備具體是指用來(lái)控制電機的逆變器和其他設備。逆變器中的功率半導體將直流電轉換為交流電，從而控制電機的旋轉，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換為交流電從而對電源轉換過(guò)程提供支持。
首先將輸入的交流電（固定頻率）轉換為直流電。使用電容器將電壓調節到一個(gè)恒定的水平，然后用逆變器將其轉回為交流電。功率半導體在逆變器電路內部完成從直流電到交流電的轉換。
圖2
盡管市面上有很多種功率半導體，IGBT*3 仍然是目前用于控制電力的主流設備。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，就電力電子設備的整體發(fā)展來(lái)看，盡管 IGBT 和其他功率半導體的性能有所提升，與其配套使用的電容器*4 的性能升級也是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。
電力電子設備中使用的電容器尤其需要小巧輕便，從而節省軌道車(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。鑒于大型基礎設施系統的性質(zhì)，一般來(lái)說(shuō)，軌道車(chē)輛的電容器每次都是根據客戶(hù)的規格來(lái)設計和制造的。但是，定制產(chǎn)品需要更長(cháng)的開(kāi)發(fā)時(shí)間，這也導致成本更加高昂。
ModCap 是由TDK開(kāi)發(fā)的、用來(lái)補充 IGBT 的一系列電力電子電容器。它打破了行業(yè)規范，率先成功實(shí)現了標準化和模塊化。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)的電容器設計規則，以及優(yōu)化 ModCap 和半導體之間的機械耦合，實(shí)現了尺寸和重量的雙減。ModCap 使用矩形塑料外殼替代了傳統的 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 90°C 的熱點(diǎn)溫度（內部操作溫度最高的點(diǎn)），而過(guò)去的極限溫度是 85°C。它還達到了鐵路防火和防煙的最高標準。
第三，它在業(yè)內率先成功實(shí)現了標準化和模塊化。過(guò)去需要定制設計的個(gè)人需求現在可以通過(guò)具有廣泛規格的標準化產(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，他描述了 ModCap 的未來(lái)前景?！坝捎?ModCap 不僅適用于鐵路，還是可再生能源系統及中低壓工業(yè)設備中逆變器的理想元件，因此我們預計市場(chǎng)對 ModCap 的需求會(huì )在未來(lái)進(jìn)一步增長(cháng)。當前，功率半導體的主要材料是硅，但我們已經(jīng)在準備一個(gè)能夠與碳化硅 (SiC)*5 一起使用的 ModCap 版本，而碳化硅被廣泛認為是新一代材料?！?/p>
與基于硅的功率半導體相比，基于 SiC 的功率半導體有望實(shí)現更低的功率損耗。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)現鐵路和可再生能源的高效功率控制和轉換功能，促進(jìn)能源的有效利用，為實(shí)現脫碳社會(huì )做出貢獻。
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。
ModCap 的電容范圍為 365 - 3900 μF，電壓范圍為 900 - 2300 伏，低 ESL，壽命長(cháng)達 20 萬(wàn)小時(shí)。
1. 電力電子技術(shù)：使用半導體設備轉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和工廠(chǎng)，電力電子技術(shù)在高效利用電力能源方面發(fā)揮著(zhù)重要作用。
2. 功率半導體：用于控制和轉換電力的半導體的通稱(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)，一種功率半導體設備。
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。當直流電壓施加到電容器上時(shí)，它不傳導電流而是儲存電荷，而交流電壓電流則可以通過(guò)。電容器的電荷儲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) 組成的復合半導體材料。
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