Efekty zastosowania elementów półprzewodnikowych SiC w przekształtnikach pojazdów trakcyjnych

Transkrypt

1 Wojciech Czuchra 1 Politechnika Krakowska Wojciech Mysiński 2 Politechnika Krakowska Bartosz Woszczyna 3 Politechnika Krakowska Efekty zastosowania elementów półprzewodnikowych SiC w przekształtnikach pojazdów trakcyjnych Wprowadzenie Zastosowanie nowych technologii w środkach transportowych ma bardzo często na celu ograniczenie zużycia energii. Główną zaletą przestawionych w artykule rozwiązań jest właśnie aspekt zmniejszenia energochłonności a przez to obniżenia kosztów eksploatacji środków transportowych. Obecnie stosowane w pojazdach trakcji elektrycznej przekształtniki energoelektroniczne oparte są na komponentach wykonanych z krzemu (Si), najczęściej są to tranzystory IGBT (z ang. Insulated Gate Bipolar Transistor). Producenci dążą do tego, aby te układy energoelektroniczne pracowały z bardzo dużymi częstotliwościami, co daje możliwość dobrej regulacji zarówno prądu jak i momentu elektromagnetycznego trakcyjnego układu napędowego. Wyżej wymienione tranzystory w typowych zastosowaniach przemysłowych mogą pracować z częstotliwością ok. 20kHz, natomiast w zastosowaniach trakcyjnych, gdzie moce przekształtników są większe, częstotliwość ta jest znacznie mniejsza, około kilkaset herców. Od 2005 roku producenci elementów energoelektronicznych wprowadzili produkty wykonane z nowego rodzaju materiału węglika krzemu (SiC). Związek węglika krzemu (karborund) odkryty został w 15 roku przez francuskiego naukowca dr. Henriego Moissana, skąd pochodzi jego inna nazwa moissanit. Jest ciałem stałym złożonym z węgla oraz krzemu w proporcji 1/1. W przyrodzie występuje bardzo rzadko w niewielkich ilościach, można go znaleźć w miejscach o szczególnym pochodzeniu geologicznym (np. skała magmowa, kopalnie diamentu, niektóre typy meteorytów). Całość dostępnego w handlu związku jest pochodzenia chemicznego [2]. Najważniejszymi własnościami wyżej wymienionego materiału są: półprzewodnik, duża twardość (porównywalna do diamentu), utrudnione wchodzenie w reakcje chemiczne, odporność na wysokie temperatury, odporność na utlenianie, odporność na agresywne środowisko, wysokie przewodnictwo termiczne. Wszystkie przyrządy półprzewodnikowe SiC wykonane są na bazie politypu węgliku krzemu 4H-SiC, którego proces wytwarzania jest najbardziej dopracowany technologicznie. W porównaniu do krzemu Dr inż. W. Czuchra, adiunkt, Politechnika Krakowska, Wydział Inżynierii Elektrycznej i Komputerowej, Katedra Trakcji i Sterowania Ruchem. Dr inż. W. Mysiński, adiunkt, Politechnika Krakowska, Wydział Inżynierii Elektrycznej i Komputerowej, Instytut Elektrotechniki. Mgr inż. B. Woszczyna, asystent, Politechnika Krakowska, Wydział Inżynierii Elektrycznej i Komputerowej, Katedra Trakcji i Sterowania Ruchem. 16

2 (Si), SiC ma dziesięć razy większą wytrzymałość elektryczną na przebicie, trzy razy większe pasmo zabronione oraz trzy razy większą przewodność cieplną. Oznacza to, że elementy SiC znacznie przekraczają wydajność odpowiedników w technologii Si. Elementy SiC wytrzymują wyższe napięcie przebicia, mają niższą oporność, i mogą pracować w wyższych temperaturach. W popularnych elementach mocy IGBT niską rezystancję przy wysokim napięciu przebicia uzyskuje się kosztem częstotliwości przełączania. Element SiC MOSFET pozwala na zachowanie wysokich napięć, małej rezystancji załączenia oraz dużej szybkości przełączania. Szersze pasmo zabronione daje możliwość pracy elementów SiC w wyższych temperaturach [7]. W porównaniu do diod krzemowych FRDs (fast recovery diodes), diody SiC SBDs (Schottky barrier diodes) mają znacznie niższy prąd wyłączenia i czas wyłączenia, a więc znacznie mniejsze straty wyłączeniowe. Ponieważ dla tranzystorów SiC MOSFET nie występuje zjawisko ogona prądowego przy wyłączaniu jak dla IGBT, straty podczas wyłączenia są dużo mniejsze (ok.%). Dla tranzystorów IGBT ogon prądowy zależny jest od temperatury a dla tranzystorów SiC, nie. Podobnie jest dla szybkich diod Si-FRD i szybkich diod SiC-SBD (rys.1) Stanowi to ograniczenie częstotliwości pracy IGBT ze względu na duże straty wyłączeniowe zwiększające temperaturę. Mniejsze straty wyłączeniowe umożliwiają tranzystorom SiC MOSFET stosowanie wyższej częstotliwość przełączania, mniejszych elementów pasywnych oraz mniejszego i mniej kosztownego układu chłodzenia [7]. Rys. 1. Porównanie czasów odzyskiwania stanu zaporowego (tzw. ogon prądowy) przez diody Si-FRD i diody SiC-SBD: a dioda Si-FRD, b dioda SiC-SBD. Źródło: [7]. Moduły SiC pozwalają na znaczne zmniejszenie strat związanych zarówno z właściwościami tranzystorów i diod. Dzięki obniżeniu strat przełączeniowych uzyskuje się poprawę efektywności przetwarzania energii, uproszczenie układów chłodzenia, np. mniejsze i tańsze radiatory lub wymiana systemu chłodzenia z wymuszonego na naturalne. Zmniejszenie elementów pasywnych (cewki indukcyjne, kondensatory) możliwe jest dzięki zwiększonej częstotliwości przełączania. Dla danego rezystora bramkowego moduł mocy SiC może zmniejszyć całkowite straty przełączania (Eon Eoff Err) o około 85% w porównaniu z modułami IGBT (rys.2). Pozwala to moduły mocy SiC sterować z częstotliwością khz lub wyższą, a zatem stosować mniejsze bierne elementy filtrujące. Takie warunki pracy są trudne i na ogół niemożliwe w przypadku konwencjonalnych modułów IGBT. Ponadto, moduły IGBT są zwykle używane przy połowie prądu znamionowego ze względu na wysokie straty 17

3 przełączania, które wpływają na zwiększenie temperatury złącza co sprawia, że modułami SiC można zastąpić moduły IGBT o wyższym prądzie znamionowym [7]. Rys. 2. Porównanie spadku napięcia na tranzystorze Si IGBT i SiC MOSFET w zależności od prądu obciążenia: a dla T=25 C, b dla T=1 C. Źródło: [7]. Rozwój półprzewodników mocy wykonanych w technologii SiC jest szeroko widoczny w sektorze kolejowym. W ostatnich latach firmy produkujące urządzenia energoelektroniczne do zastosowań trakcyjnych (tj. falowniki trakcyjne, przetwornice statyczne, itp.) podejmują próby budowy urządzeń opartych o technologię węglika krzemu. Obniżenie strat mocy w pojazdach kolejowych można uzyskać z kilku powodów. Wpływa na to ma redukcja strat łączeniowych w falowniku, więcej energii z uzyskanej z rekuperacji i zmniejszenie strat w silniku trakcyjnym. Straty łączeniowe mogą być zredukowane przez zastosowanie SiC SBDs. Energia odzyskowa może być lepiej wykorzystana ze względu na szerszy zakres prędkości pojazdu wykorzystany do uzyskania potrzebnej siły hamującej. Podstawowe systemy kolejowe Mitsubushi Electric używają łączonego hamowania mechanicznego z odzyskowym przy prędkości powyżej ok. 35-km/h. Użycie tylko hamowania odzyskowego powoduje większe straty dla elementów Si, prowadzące do przekroczenia wysokich dopuszczalnych temperatur łączeniowych. Dla elementów mocy SiC wyższe dopuszczalne temperatury oznaczają, że hamowanie odzyskowe może być realizowane samodzielnie do km/h wytwarzając prawie dwukrotną energię. Użycie elementów SiC pozwala również obniżyć straty w silniku. Dla silnika indukcyjnego przebieg prądu może być zbliżony do sinusa co wg Mitsubishi Electric pozwala obniżyć straty silnika o ok. % [5]. Pod koniec 2013 roku firma Mitsubishi Electric rozpoczęła produkcję pierwszego na świecie falownika dla systemów DC, który zawierał wszystkie moduły w technologii węglika krzemu, zarówno tranzystory jak i moduły diodowe. Falownik z chłodzeniem własnym dostosowany jest do systemu zasilania trakcji elektrycznej V DC i posiada prąd znamionowy A. Obwód główny złożony jest z dwupoziomowego falownika z możliwością hamowania odzyskowego. Umożliwia on sterowania równoległego 4 silnikami trakcyjnymi o mocy 1kW. Producent zapewnia, że straty przełączania są o 55% mniejsze niż przy konwencjonalnym falowniku na elementach krzemowych wykonanym przez tą firmę, natomiast efektywność całej przetwornicy jest o 30% większa niż przy układzie tradycyjnym. 18

4 Waga zmniejszyła się o 65% w stosunku do tradycyjnych układów, natomiast o 30% do układów wykonanych w technologii hybrydowej [8]. W czerwcu 2015 roku firma Mitsubishi Electric zainstalowała w pociągach pasażerskich Odakyu Co. serii 00 w Japonii, falownik trakcyjny, który zawiera wszystkie moduły wykonane w technologii węglika krzemu, zarówno tranzystory jak i moduły diodowe. Falownik ten dostosowany jest do systemu zasilania trakcji elektrycznej V DC z chłodzeniem własnym. Obwód główny złożony jest z dwupoziomowego falownika z możliwością hamowania odzyskowego. Umożliwia on sterowanie równoległe 4 silnikami trakcyjnymi o mocy 1kW. Producent zapewnia oszczędność przy pracy z napędem na poziomie 17%, natomiast efektywność całej przetwornicy jest o % większa niż przy układzie tradycyjnym [9]. Również krajowa firma, MEDCOM Sp. z o. o., zajmującą się głównie produkcją osprzętu energoelektronicznego dla taboru kolejowego, w 2014 roku na targach InnoTrans w Berlinie, zaprezentowała przetwornicę statyczną PSM-35 SiC wykonaną w całości w technologii węglika krzemu. Urządzenie przeznaczone jest do pracy w pojazdach metra oraz elektrycznych zespołach trakcyjnych. Moc przetwornicy wynosi 35kVA dla napięcia AC i 12kW dla portów DC. W warunkach laboratoryjnych dla tej przetwornicy uzyskano sprawność w granicach 95%. Waga przetwornicy wynosi jedynie 95kg co przy przetwornicach o takich samych parametrach wykonywanych w technologii krzemowej stanowi zmniejszenie wagi o 65%.Z punktu widzenia producenta pojazdu jest to bardzo znaczącą różnica, ponieważ pojazd musi spełniać wymogi co do masy całkowitej pojazdu oraz do nacisku na oś []. Wysoka częstotliwość pracy łącznie z dużymi stromościami sygnałów na wyjściu przekształtników wykonanych w technologii węglika krzemu może wiązać się ze zwiększeniem poziomów zaburzeń elektromagnetycznych generowanych przez układ [1]. Powstające zaburzenia, które pochodzą od parametrów układu i sposobu sterowania oraz wynikają z przetwarzania energii występują praktycznie w całym paśmie częstotliwości, rozpoczynając od harmonicznych częstotliwości układu zasilania oraz interharmonicznych do zakresu wyższych częstotliwości, które wynikają z parametrów oraz sposobu sterowania. Wysoka częstotliwość fali nośnej (sterowania) elementów energoelektronicznych powoduje przesunięcie tych zaburzeń w pasmo zaburzeń przewodzonych od 9kHz do 30MHz co może stanowić również problemem w emisji zaburzeń promieniowanych pojazdu trakcyjnego [3][4]. Cel pracy W pracy przedstawiono najważniejsze cechy i korzyści wynikające z wprowadzenia nowej technologii półprzewodnikowej opartej na węgliku krzemu (SiC). Zwrócono uwagę na zastosowania tej technologii w transporcie szynowym, a w szczególności w układach przekształtnikowych pojazdów trakcyjnych. Na podstawie badań laboratoryjnych, wykazano również pewne aspekty z dziedziny kompatybilności elektromagnetycznej, wynikające z zastosowania elementów energoelektronicznych wykonanych w technologii SiC w układach napędów przekształtnikowych. Celem pracy jest sprawdzenie i przedstawienie efektów zastosowania elementówpółprzewodnikowych wykonanych w nowej technologii SiC. Na podstawie zbudowanych i przebadanych modeli laboratoryjnych układów przekształtnikowych w aspekcie kompatybilności elektromagnetycznej, na który to aspekt powinni zwrócić uwagę projektanci ww. układów przekształtnikowych. Badania homologacyjne pojazdów trakcyjnych obejmują także szeroki zakres zagadnień EMC (electromagnetic compatibility) i wymagają spełnienia przez pojazd wymagań norm PN-EN i PN-EN dotyczących m.in. zaburzeń elektromagnetycznych przewodzonych i promieniowanych. Metodyka Jako podstawowe źródło informacji wstępnych o nowej technologii wykorzystano dane literaturowe obejmujące publikacje producentów elementów półprzewodnikowych, producentów gotowych układów przekształtnikowych przeznaczonych do zastosowań trakcyjnych a także publikacje naukowe. 19

5 Do przeprowadzenia badań laboratoryjnych z zakresu kompatybilności elektromagnetycznej zbudowano dwa układy falownikowe, z których jeden wykonany został w oparciu o tradycyjną technologię krzemową (tranzystory IGBT, HGTG30NB3D, firmy Fairchild) a drugi został zbudowany z zastosowaniem elementów energoelektronicznych w technologii węglika krzemu (SiC-MOSFET, SCT21KEC, firmy Rohm). Zbudowane modele przekształtników pracujące w układzie napędu z silnikiem asynchronicznym klatkowym (SZJe 3) poddano testom w zakresie kompatybilności elektromagnetycznej. Obydwa układy pracowały w identycznych warunkach zasilania, obciążenia i sterowania, bez zastosowania układów filtrujących. Pomiary charakterystyk częstotliwościowych wykonano w oparciu o podstawowe wymagania normy PN-EN 6-3 [6] przy wykorzystaniu analizatora widma Rohde&Schwarz FSL3, sondy napięciowej w.cz. SCHWARZBECK MESS ELEKTRONIK TK9420 oraz sondy prądowej TESEQ CSP 91A. Pomierzone charakterystyki wyznaczono przy użyciu detektora szczytowego. Przykładowy schemat pomiarowy dla wyznaczania charakterystyk widmowych napięć zaburzeń wspólnych pokazano na rys. 3. Dodatkowo wykonano pomiar indukcji magnetycznej przy pomocy cewki do pomiaru pola EMCO 74 oraz analizatora widma Rohde&Schwarz FSL3. Rys. 3. Schemat pomiarowy dla wyznaczania napięć zaburzeń elektromagnetycznych wspólnych: a schemat pomiarowy, b widok falownika. Przeprowadzone pomiary umożliwiły rejestrację wybranych przebiegów czasowych prądów i napięć oraz widm częstotliwościowych charakterystycznych przebiegów zaburzeń elektromagnetycznych. W ramach badań wyznaczono: napięcia zaburzeń elektromagnetycznych przewodzonych (asymetrycznych, symetrycznych i niesymetrycznych) zarówno od strony sieci zasilającej przekształtnik jak i od strony wyjściowej (silnikowej) w paśmie 1kHz-30MHz, prądy asymetryczne zaburzeń elektromagnetycznych przewodzonych zarówno od strony sieci zasilającej przekształtnik jak i od strony wyjściowej (silnikowej) w paśmie 1kHz do 30MHz, indukcję magnetyczną w otoczeniu przekształtnikowych układów napędowych w paśmie 1kHz do 1MHz. Otrzymane wyniki pomiarowe zestawiono w parach dla przedstawienia porównania wpływu zwiększenia częstotliwości pracy badanych układów a także porównania dwóch różnych technologii wykonania przekształtnikowych układów napędowych. 20

6 Ucm [dbµv] Icm [dbµa] Uns [dbµv] Icm [dbµa] Wyniki badań W wyniku przeprowadzonych badań laboratoryjnych w paśmie częstotliwości dla zaburzeń przewodzonych otrzymano szereg interesujących wyników, na podstawie których zwrócono uwagę na możliwość wystąpienia problemów w dziedzinie kompatybilności elektromagnetycznej w falownikach SiC. Pomiary charakterystyk częstotliwościowych wykonane zostały dla obu układów falownika. Wybrano sygnały występujące na wejściu falownika (od strony zasilania) i sygnały wyjściowe (od strony silnika). Falowniki pracowały przy identycznych parametrach zasilania i obciążenia, częstotliwości nośnej 6,5 khz oraz 82kHz i częstotliwości wyjściowej Hz. Pierwsze porównania przedstawione na rys. 4 i 5 dotyczą wpływu częstotliwości sterowania falownika SiC na poziom zaburzeń przewodzonych. Kolorem czerwonym przedstawiono napięcia i prądy zaburzeń przewodzonych dla f=6,5khz, natomiast kolorem niebieskim dla f=82khz f=82 khz f=82 khz 130 f=6,5 khz f=6,5 khz Rys. 4. Porównanie napięć i prądów wejściowych zaburzeń przewodzonych dla falownika SiC dla różnych częstotliwości sterowania: a Uns wejściowe falownika SIC dla f=82 khz i f=6,5 khz, b Icm wejściowy falownika SIC dla f=82khz i f=6,5 khz f=82 khz f=6,5 khz f=82 khz f=6,5 khz Rys. 5. Porównanie napięć i prądów wyjściowych zaburzeń przewodzonych dla falownika SiC dla różnych częstotliwości sterowania: a napięcie Ucm wyjściowe falownika SIC dla f=82 khz i f=6,5 khz, b prąd Icm wyjściowy falownika SIC dla f=82khz i f=6,5 khz. 21

7 Ucm [dbµv] Icm [dbµa] Uzyskane wyniki pomiarowe widm wyraźnie pokazują, że falownik pracujący ze zwiększoną częstotliwością sterowania do 82kHz generuje zdecydowanie wyższy poziom zaburzeń przewodzonych w całym paśmie częstotliwości zarówno od strony zasilania jak i od strony obciążenia. Zwiększenie poziomu napięcia i prądu zarówno wejściowego jak i wyjściowego zaburzeń wynosi maksymalnie ok. 20dB. Wykorzystanie możliwości pracy półprzewodników SiC przy zdecydowanie zwiększonych częstotliwościach sterowania może wpływać na pojawienie się trudności w zapewnieniu kompatybilności elektromagnetycznej. Kolejne porównania uzyskanych wyników dla dwóch układów falownika (SiC, IGBT) przedstawiono na rys. 6. gdzie kolorem czarnym zaznaczono wyniki dla falownika z tranzystorami Si (IGBT) a kolorem niebieskim z tranzystorami SiC. Podczas wyznaczania charakterystyk widmowych obydwa falowniki pracowały przy identycznych warunkach zasilania i obciążenia i częstotliwości sterowania f=82khz SiC IGBT SiC IGBT Rys. 6. Porównanie napięć Ucm i prądów Icm zaburzeń przewodzonych dla obu falowników SiC i IGBT: a napięcie Ucm wyjściowe falownika IGBT i SIC dla f=82 khz, b prąd Icm wyjściowy falownika IGBT i SIC dla f=82khz. Otrzymane wyniki pomiarowe widm również pokazują, że falownik z tranzystorami SiC w porównaniu z falownikiem IGBT generuje wyższy poziom zaburzeń przewodzonych w poszczególnych pasmach częstotliwości. Wyraźna różnica poziomów widoczna jest szczególnie dla prądu asymetrycznego wyjściowego i wynosi maksymalnie kilkanaście db. Zwiększony poziom zaburzeń elektromagnetycznych przewodzonych może również skutkować zwiększeniem poziomów pól elektromagnetycznych w otoczeniu układów przekształtnikowych. W tym celu dokonano sprawdzenia pomiarowego indukcji magnetycznej w otoczeniu badanych układów. Pomiar przeprowadzono w odległości 30cm od układu badanego w paśmie częstotliwości od 1kHz do 1MHz. Porównanie obu układów przekształtnikowych (Si oraz SiC) dla częstotliwości sterowania 6,5kHz oraz 82kHz przedstawiono na rys. 7. Podczas przeprowadzenia pomiarów obydwa falowniki pracowały w takich samych warunkach i przy jednakowym sterowaniu. Przedstawione porównanie potwierdza fakt, że zwiększone poziomy zaburzeń przewodzonych dla falownika SiC skutkują wyższymi poziomami sygnałów zewnętrznych pól elektromagnetycznych. Ten aspekt również powinien być rozważany przy projektowaniu układów przekształtnikowych w oparciu o półprzewodniki wykonane w technologii węglika krzemu. 22

8 B [dbpt] B [dbpt] 85 IGBT f=6,5 khz SiC f=6,5 khz 85 IGBT f=82 khz SiC f=82 khz f [khz] f [khz] Rys. 7. Porównanie indukcji magnetycznej w otoczeniu falowników: a częstotliwość kluczowania falownika IGBT i SIC f=6,5 khz, b częstotliwość kluczowania falownika IGBT i SIC f=82 khz. W tabeli 1 zaprezentowano maksymalne różnice poziomów (Δ max) wybranych napięć, prądów i indukcji magnetycznej odczytane z przedstawionych powyżej porównań rys. 4 do 7. Zestawione wartości potwierdzają, że praca tranzystorów SiC przy zwiększonej częstotliwość do 82kHz powoduje maksymalny wzrost analizowanych sygnałów o ponad 20 db, a porównanie pracy układu SiC i IGBT dla takiej samej częstotliwości sterowania 82 khz wykazuje maksymalny wzrost o ok. 14 db dla układu SiC, natomiast maksymalny wzrost indukcji w tym przypadku wynosi 11 db. Tab. 1. Maksymalne różnice w poziomach wybranych napięć, prądów i indukcji magnetycznej 82kHz (SiC i SiC (82kHz i 6,5kHz) SiC (82kHz i 6,5kHz) 82kHz (SiC i IGBT) Porównanie IGBT) Unswe Icmwe Ucmwy Icmwy Ucmwy Icmwy B Δ max [db] f [MHz] 11,6 3,4 6,3 6,6 21,9 2,7 0,8 Nr rysunku 4a) 4b) 5a) 5b) 6a) 6b) 7b) Wnioski Badania przeprowadzone na laboratoryjnych napędowych układach przekształtnikowych mogą być podstawą do wstępnej oceny zastosowania półprzewodników wykonanych w technologii węglika krzemu (SiC) w aspekcie kompatybilności elektromagnetycznej. Zwrócono uwagę na możliwe do wystąpienia efekty uboczne zastosowanej technologii w przekształtnikach pojazdów trakcyjnych, gdzie zapewnienie kompatybilności elektromagnetycznej jest bardzo istotnym problemem. Analizując poziomy zaburzeń dla układu falownika wykonanego w technologii SiC stwierdzono, że zwiększenie częstotliwości sterowania z 6,5 khz do 82 khz spowodowało wyraźne zwiększenie poziomów zaburzeń przewodzonych. Porównując falownik z tranzystorami wykonanymi w tradycyjnej technologii krzemowej oraz falownik z elementami z węglika krzemu, pracujący przy takich samych parametrach układu i w takich samych warunkach zasilania i obciążenia, wykazano, że zwiększony poziom zaburzeń przewodzonych generuje falownik SiC. 23

9 Zestawienie obydwu układów falownikowych pod kątem emisji promieniowanej wykazało, że falownik z tranzystorami SiC jest źródłem zwiększonego poziomu pól magnetycznych zewnętrznych. Technologia węglika krzemu umożliwia budowę przekształtników energoelektronicznych przeznaczonych do zastosowania w pojazdach trakcyjnych, które będą się charakteryzowały w porównaniu z tradycyjną technologią (Si), wysoką sprawnością (niskie straty na tranzystorach), mniejszymi gabarytami, mniejszymi elementami pasywnymi czy większą tolerancją termiczną. Dzięki tym zaletom można obniżyć energochłonność pojazdu trakcyjnego a co za tym idzie ograniczyć koszty. Pod względem kompatybilności elektromagnetycznej elementy te stanowią jednak większe zagrożenie dla środowiska elektromagnetycznego. Podczas przeprowadzonych badań stwierdzono, że poziomy zaburzeń elektromagnetycznych są znacznie większe, w szczególności gdy zwiększono częstotliwość kluczowania przy sterowaniu PWM. Zwiększone poziomy zaburzeń przewodzonych od strony zasilania falownika mogą utrudniać spełnienie przez przekształtnik odpowiednich wymogów normatywnych oraz mogą być szkodliwe dla urządzeń przyłączonych do tej samej sieci zasilającej. Natomiast zwiększony poziom zaburzeń na wyjściu układu może doprowadzić do problemów w zapewnieniu tzw. kompatybilności wewnętrznej. Wyniki badań wykazały, że będzie zachodzić potrzeba stosowania zarówno filtrów wejściowych jak i wyjściowych w celu redukcji zaburzeń elektromagnetycznych przewodzonych w celu spełnienia przez kompletny pojazd trakcyjny wymagań normatywnych w zakresie EMC. Streszczenie Obecnie producenci komponentów energoelektronicznych starają się wprowadzić do swoich produktów węglik krzemu (SiC) a tranzystory MOSFET wykonane w tej technologii są dostępne na rynku. Charakteryzują się one znacznie wyższą częstotliwością pracy sięgającą nawet 0 khz i niskimi stratami przełączania. Zastosowanie tego typu elementów powoduje powstanie wysokich stromości napięcia na wyjściu falownika, co może prowadzić do wzrostu zakłóceń elektromagnetycznych falownika. W artykule są przedstawione wyniki badań i analiz wysokiej częstotliwości, które umożliwiają wstępną ocenę zastosowania tranzystorów SiC w układzie falownika w zakresie EMC. Słowa kluczowe: transport szynowy, przekształtnik energoelektroniczny, węglik krzemu, kompatybilność elektromagnetyczna. Abstract Effects of using SiC semiconducting elements in traction vehicles' inverters At present manufacturers of energy-electronic components try to introduce in their products silicon carbide (SiC) technology and transistors MOSFET made in this technology are available on the market. They characterize by much higher work frequency, reaching even 0 khz and low switching losses. Application of this type elements causes high voltage gradients at inverter output, what can lead to increase of inverter s electromagnetic disturbances. Test results and high-frequency analysis, allowing initial evaluation of using SiC transistors in inverter s structure in EMC range, are presented in the article. Key words: railway transport, converter, silicon carbide, electromagnetic compatibility. LITERATURA / BIBLIOGRAPHY [1]. Michalski A., Zymmer K., Badania właściwości przyrządów energoelektronicznych z węglika krzemu (SiC) w warunkach komutacji prądu z wysoką częstotliwością, Prace Instytutu Elektrotechniki, zeszyt 243,

10 [2]. Sak T., Parchomiuk M., Badania właściwości tranzystora Z-FET MOSFET wykonanego z węglika krzemu CMF20120D firmy CREE, Wiadomości Elektrotechniczne, 2013, nr 8, s [3]. Kempski A., Elektromagnetyczne zaburzenia przewodzone w układach napędów przekształtnikowych, Oficyna Wydawnicza Uniwersytetu Zielonogórskiego, [4]. Czuchra W., Zając W.: Investigation of electromagnetic interference generated by a tram and a trolley-bus with inverter drives. International Conference on ship propulsion and railway traction systems, Bologna, Italy, October [5]. NE Handbook Series Power Devices, Rohm Power Devices, Nikkei Business Publications Inc., [6]. PN-EN 6-3, Elektryczne układy napędowe mocy o regulowanej prędkości - Część 3: Wymagania dotyczące EMC i specjalne metody badań. [7]. SiC Power Devices and Modules, Application Note, Rohm Co., [8]. dostęp r [9]. dostęp r. []. dostęp: r. 25