【導讀】電力電子設備*1能高效地轉(zhuǎn)換和控制電力，其作為解決環(huán)境和能源問題的關(guān)鍵技術(shù)之一正受到廣泛的關(guān)注。ModCap? 是TDK開發(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)，可實現(xiàn)前所未有的創(chuàng)新解決方案。
隨著人們對環(huán)境問題的日益關(guān)注，從卡車過渡到能夠進行大規(guī)模運輸?shù)蔫F路和船舶的貨物運輸“形態(tài)轉(zhuǎn)換”已成為外界關(guān)注的焦點。特別是鐵路，其每單位運輸?shù)?CO? 排放量最低，可以說是最環(huán)保的運輸模式。隨著新興國家的經(jīng)濟增長，人們對于運輸?shù)男枨蟛粩嘣黾樱瑢﹁F路的期望也越來越高。
下圖比較了日本國內(nèi)客運和貨運每單位運輸?shù)亩趸寂欧帕?。（效率指標?/p>
圖1 來源：日本國土交通省觀光廳
在注重環(huán)保的時代，人們期望軌道車輛能比過去節(jié)約更多的能源。實現(xiàn)這一目標的關(guān)鍵就是發(fā)展能夠利用功率半導體*2 來控制和轉(zhuǎn)換電力的電子技術(shù)。用電時，部分能量會不可避免地轉(zhuǎn)換為熱。這部分被浪費的能源稱為功率損耗，因此盡可能地降低功率損耗有助于提高能源使用效率。軌道車輛中的電力電子設備具體是指用來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(zhuǎn)換為交流電，從而控制電機的旋轉(zhuǎn)，使其有助于減少功率損耗。逆變器中的電容器通過平滑直流電流將直流電轉(zhuǎn)換為交流電從而對電源轉(zhuǎn)換過程提供支持。
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)到一個恒定的水平，然后用逆變器將其轉(zhuǎn)回為交流電。功率半導體在逆變器電路內(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關(guān)鍵問題。
電力電子設備中使用的電容器尤其需要小巧輕便，從而節(jié)省軌道車輛上的空間，同時還要足夠可靠和耐用才能承受振動和惡劣的溫度環(huán)境。鑒于大型基礎設施系統(tǒng)的性質(zhì)，一般來說，軌道車輛的電容器每次都是根據(jù)客戶的規(guī)格來設計和制造的。但是，定制產(chǎn)品需要更長的開發(fā)時間，這也導致成本更加高昂。
ModCap 是由TDK開發(fā)的、用來補充 IGBT 的一系列電力電子電容器。它打破了行業(yè)規(guī)范，率先成功實現(xiàn)了標準化和模塊化。有三個主要特點使該產(chǎn)品脫穎而出。
首先是通過使用最新、最先進的電容器設計規(guī)則，以及優(yōu)化 ModCap 和半導體之間的機械耦合，實現(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 90°C 的熱點溫度（內(nèi)部操作溫度最高的點），而過去的極限溫度是 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(nèi)率先成功實現(xiàn)了標準化和模塊化。過去需要定制設計的個人需求現(xiàn)在可以通過具有廣泛規(guī)格的標準化產(chǎn)品線來滿足。上市時間大幅縮短，同時成本大幅降低。
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)品營銷總監(jiān)，他描述了 ModCap 的未來前景。“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)設備中逆變器的理想元件，因此我們預計市場對 ModCap 的需求會在未來進一步增長。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現(xiàn)更低的功率損耗。在開發(fā)創(chuàng)新型電力電容器的過程中，TDK通過實現(xiàn)鐵路和可再生能源的高效功率控制和轉(zhuǎn)換功能，促進能源的有效利用，為實現(xiàn)脫碳社會做出貢獻。
ModCap 是與大型 IGBT 逆變器搭配使用的一系列電容器，適用于太陽能和風能、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，壽命長達 20 萬小時。
1. 電力電子技術(shù)：使用半導體設備轉(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. 功率半導體：用于控制和轉(zhuǎn)換電力的半導體的通稱。常見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，一種功率半導體設備。
4. 電容器：三大無源電子元件之一，其余兩者為電阻和電感器。當直流電壓施加到電容器上時，它不傳導電流而是儲存電荷，而交流電壓電流則可以通過。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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