Nadzieje na rozwój transportu szynowego pokłada się szczególnie w energoelektronice opartej na półprzewodnikach o szerokiej przerwie energetycznej. Wynika to z ich właściwości wyróżniających je na tle dotychczas używanych materiałów, głównie krzemu. Te z kolei stanowią konsekwencję właśnie szerszej niż w Si przerwy energetycznej, czyli inaczej pasma zabronionego. Oddziela ono pasmo walencyjne, w którym elektrony są związane z atomami od pasma przewodnictwa. W tym drugim elektrony mogą się swobodnie poruszać i przewodzić prąd elektryczny. By elektron mógł przejść z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa, musi uzyskać energię równą przerwie energetycznej. Materiały o szerszym paśmie zabronionym wymagają w tym celu większej energii.
Przykładowo, przerwa energetyczna w przewodnikach wynosi 0 eV, w popularnych półprzewodnikach, jak krzem – 1,12 eV, i german – 0,67 eV, a w tych o szerokiej przerwie energetycznej – jak azotek galu (GaN) i węglik krzemu (SiC) – odpowiednio: 3,4 eV i 3,3 eV.
Co wyróżnia SiC?
Największą zaletą półprzewodników o szerokiej przerwie energetycznej jest duża wytrzymałość dielektryczna na przebicie, która wynosi w przypadku GaN 3,3 MV/cm, a SiC – 3,5 MV/cm. Dla porównania, wartość tego parametru Si to zaledwie 0,3 MV/cm. W efekcie, przy tej samej geometrii, przyrządy półprzewodnikowe z azotku galu i węglika krzemu teoretycznie mogą wytrzymać ponad dziesięciokrotnie wyższe napięcia niż te z krzemu. Inaczej mówiąc, przy danej różnicy napięć na złączu, z GaN albo SiC można wykonać tranzystor z dziesięciokrotnie cieńszą warstwą dryfu, co przekłada się na jego mniejsze wymiary. W praktyce tranzystory MOSFET z SiC typowo pracują przy napięciach rzędu 1-3 kV, podczas gdy tranzystory z krzemu – zwykle 600‒1200 V.
Z materiałów o szerokiej przerwie energetycznej można wykonywać przyrządy półprzewodnikowe, które mają mniejszą rezystancję w stanie przewodzenia, przy danej wytrzymałości napięciowej, w porównaniu do tych krzemowych. W zestawieniu z krzemem, azotek galu wyróżnia się też większą ruchliwością elektronów i prędkością ich nasycania, natomiast węglik krzemu – większą prędkością nasycania elektronów oraz możliwością wykonywania struktur półprzewodnikowych o mniejszych pojemnościach pasożytniczych. Pozwala to na osiąganie częstotliwości przełączania kilkakrotnie większych niż te w tranzystorach z Si, co zmniejsza straty przełączania. Konsekwencją mniejszych strat przewodzenia i przełączania jest większa sprawność energetyczna.
Poza tym przyrządy półprzewodnikowe wykonane z materiałów o szerokiej przerwie energetycznej mogą stabilnie działać w wyższych temperaturach, przekraczających +200ºC, podczas gdy typowa graniczna temperatura pracy struktur krzemowych to ok. +150ºC. Dodatkowo węglik krzemu przewyższa krzem pod względem przewodności cieplnej – w przypadku SiC wynosi ona prawie 5 W/cm·K, a Si – tylko ok. 1,5 W/cm·K. Dzięki temu w tranzystorach z węglika krzemu nadmiar ciepła jest odprowadzany efektywniej, w konsekwencji czego słabiej się nagrzewają. Właściwości termiczne SiC są kluczowe dla możliwości wykorzystania przyrządów półprzewodnikowych z tego materiału w urządzeniach dużej mocy i w warunkach podwyższonej temperatury, przykładowo w wyposażeniu pojazdów szynowych.
Materiały nanokrystaliczne
Rozwój energoelektroniki napędzany upowszechnianiem się przyrządów półprzewodnikowych z materiałów o szerokiej przerwie energetycznej umożliwił znaczący postęp w zakresie częstotliwości przełączania i gęstości mocy w nowoczesnych urządzeniach. Zarazem uwidoczniło to ograniczenia tradycyjnych materiałów magnetycznie miękkich, takich jak stal krzemowa, w których występują znaczne straty w zakresie wyższych częstotliwości i problemy ze stabilnością termiczną. W związku z tym na znaczeniu zyskują nowe materiały magnetyczne: amorficzne oraz nanokrystaliczne (patrz ramka: Nowoczesne materiały magnetyczne).
Pod względem właściwości, jakimi powinny charakteryzować się materiały magnetycznie miękkie, przewyższają one te tradycyjne. Jest to głównie mała koercja, czyli natężenie pola magnetycznego, które trzeba przyłożyć w przeciwnym kierunku, aby całkowicie usunąć namagnesowanie materiału. W praktyce stanowi to miarę odporności materiału magnetycznego na rozmagnesowanie – im jest niższa, tym dany materiał łatwiej rozmagnesować (i namagnesować). W przypadku rdzeni np. cewek indukcyjnych i transformatorów jest to wysoce pożądaną właściwością. Kolejnymi są: duża przenikalność magnetyczna, wysoka gęstość strumienia magnetycznego przy nasyceniu (indukcja nasycenia), niskie straty na histerezę i prądy wirowe. Właściwości te uzyskuje się dzięki specyfice mikrostruktury i procesu produkcji tych materiałów.
Nowoczesne materiały magnetyczne
Materiał, z którego wykonano rdzeń komponentu magnetycznego, ma kluczowe znaczenie dla jego parametrów pracy. Nowoczesną alternatywę dla tradycyjnych materiałów magnetycznie miękkich stanowią materiały magnetyczne amorficzne oraz nanokrystaliczne.
Materiały amorficzne (bezpostaciowe) charakteryzuje brak uporządkowanej struktury krystalicznej. Najczęściej są to stopy żelaza z dodatkiem boru, krzemu lub fosforu. Wytwarza się je w procesie szybkiego krzepnięcia, schładzając stop w bardzo szybkim tempie, tak żeby nie dopuścić do jego skrystalizowania się. Amorficzna struktura nadaje tym materiałom wyróżniające właściwości. Najważniejsze z nich to: bardzo niska koercja (typowo poniżej 10 A/m), wysoka przenikalność magnetyczna, duża gęstość strumienia magnetycznego przy nasyceniu (wysoka indukcja nasycenia), niskie straty na histerezę i na prądy wirowe w wysokich częstotliwościach, dobra stabilność temperaturowa.
Natomiast materiały nanokrystaliczne mają strukturę dwufazową – składają się z nanometrowych ziaren krystalicznych osadzonych w fazie amorficznej. Są to zazwyczaj stopy żelaza z dodatkami krzemu, boru, niobu czy miedzi. Wytwarza się je w procesie kontrolowanej krystalizacji materiału amorficznego na skutek wyżarzania. Pod względem niektórych właściwości przewyższają materiały amorficzne. W porównaniu z nimi mają jeszcze niższą koercję (poniżej 1 A/m), wyższą przenikalność magnetyczną, nieco większą gęstość strumienia magnetycznego przy nasyceniu, niższe straty w wysokich częstotliwościach oraz nieco lepszą stabilność temperaturową. Ze względu na bardziej złożony proces produkcji są jednak droższe.
Generalnie, jeśli priorytetem są małe straty, jak w przypadku wysokosprawnych transformatorów i cewek indukcyjnych do pracy w wysokich częstotliwościach, jako zamiennik rdzeni z tradycyjnych materiałów magnetycznie miękkich preferuje się te z amorficznych materiałów magnetycznych. Natomiast w transformatorach dużej mocy, przetwornicach, zasilaczach, gdzie występują wysokie poziomy indukcji magnetycznej, rdzenie wykonuje się zazwyczaj z nanokrystalicznych materiałów magnetycznych.
Przykładowo, w tych drugich ziarna krystaliczne o rozmiarze rzędu nanometrów osadzane są w fazie amorficznej. Taka dwufazowa struktura nanokrystalicznych materiałów magnetycznych ogranicza lokalną anizotropię magnetyczną i zwiększa ruchliwość ścianek domen, co zapewnia małe straty. Z kolei ściśle kontrolowany proces produkcyjny polegający na krystalizacji przez wyżarzanie pozwala na precyzyjne formowanie nanokryształów, co poprawia indukcję nasycenia przy równoczesnym zachowaniu niskiej wartości koercji.
Postępy w energoelektronice i materiałach magnetycznych ułatwiają sprostanie wyzwaniom, jakie towarzyszą rozwojowi nowoczesnego transportu szynowego. Takim jest np. zapewnienie interoperacyjności kolei w Europie.
