Just nu förbereder Bombardier sitt första riktigt stora fälttest av kiselkarbidskomponenter. Starten är planerad till strax före jul. Testet ska pågå i tre till fyra månader på gröna linjen i Stockholms tunnelbana.

I testet använder företaget sin nyutvecklade strömriktarfamilj – MITRAC TC1500, där TC står för Traction Converter. Den är konstruerad för att vara SiC-redo, men när den första produkten lanseras inom kort är det med kiselkomponenter inuti. I fälttestet är kislet ersatt av kiselkarbid.

Det som fortfarande hindrar SiC-komponenter i stor skala är det höga priset. Här handlar det om MOSFET:ar på 1700 V och högre. Sådana finns ännu inte i massproduktion, åtminstone inte för tågindustrin.

Anders Blomberg

– Vi tror att priset på SiC-komponenter kommer att vara klart högre än IGBT:er i kisel även när de kommer i volymer. Därför anser vi att man måste hämta hem vinsten på annat håll i drivsystemet, säger Anders Blomberg, som leder utvecklingsarbetet.

En livscykelanalys – där kostnaden för energiförbrukning och underhåll över hela produktens livslängd tas med – är ett sätt att motivera prisskillnaden. Uppskattningar som gjorts pekar på att kostnaden för energiförbrukning och underhåll under ett fordons livslängd ofta överstiger den initiala kostnaden.

– Det gör att vi tror att SiC-MOSFET kan bli dominerande i våra tillämpningar när kretsarna finns i massproduktion, säger Anders Blomberg, och han fortsätter:

– Vårt demonstratorprojekt är ett sätt att komma ut och visa på kundfördelarna med SiC.

Projektet drivs i samarbete med Trafikförvaltningen/SL, operatören MTR, Rise Acreo och KTH. Det är delfinansierat av Energimyndigheten.

I Västeråslabbet arbetar provningsledare Mikael Johansson. Strax bakom honom syns den motorströmriktare som idag finns på tunnelbanetåg i Stockholm. Den mindre lådan framför Mikael är den nya som ska gå i demodrift i Stockholm. Den kyls endast av fartvinden, här simulerad av en kylkanal som det blåser luft igenom.

Strömriktaren TC1500 har i uppgift att omvandla linjespänningen till en variabel spänning och variabel frekvens som passar motorerna. Den kan snabbt och noggrant reglera motorernas vridmoment så att tåget får en mjuk och fin gång.

Strömriktarlådan som utvecklingsteamet i Västerås byggt innehåller två strömriktare med styrelektronik och krafthalvledare i kiselkarbid. De två strömriktarna driver var sin motor och har genomgått gedigna tester i labbet med mycket gott resultat.

– Vi förväntar oss att den totala energiförbrukningen i verklig drift för strömriktare och motor tillsammans kommer att minska med cirka 34 procent jämfört med om vi använder moderna IGBT:er.

– En del i detta är att vi gått upp i switchfrekvens, vilket minskar övertonsförlusterna i motorn. Det är ett bra exempel på hur man kan hitta vinster med SiC i andra delar av drivsystemet än i själva strömriktaren.

Inför fälttestet ska en strömriktarlåda, med två SiC-baserade strömriktare som driver var sin motor, byta plats med en 20 år gammal IGBT-lösning som just nu kör runt i Stockholms tunnelbanenät. Väl på plats tar lådan upp 51 procent mindre volym, samtidigt som den väger 22 procent mindre.

– Strömriktaren som används idag är dessutom luftkyld med en fläkt. Den tar vi nu bort och ersätter med passiv kylning helt utan rörliga delar, så även där ser vi en energivinst. Likaså minskar vi underhållsbehovet förknippat med kylutrustning som fläktar, pumpar och filter.

I projektet används en helt ny kapsling för krafthalvledare skräddarsydd för tågbranschen. Den klarar högre strömmar och snabbare switchförlopp än tidigare.

Modulen som används är utvecklad av Hitachi och finns ännu inte i masstillverkning. Under skalet sitter två SiC-MOSFET:ar och två SiC-Schottkydioder som hanterar 1700 V och 2 × 900 A.

De arbetar i par, ett övre och ett undre, som tillsammans bildar ett fasben. När det ena leder är det andra avstängt och vice versa. Det är så man kan styra effekten till motorerna. Switchfrekvensen i detta fall är på flera kHz.

Denna artikel har tidigare publicerats i magasinet Elektronik­tidningen. För dig som jobbar i den svenska elektronik­branschen är Elektronik­tidningen gratis att prenumerera på – våra annonsörer betalar kostnaden. Här ansöker du om prenumeration (länk).

En strömriktare ­innehåller fyra moduler – tre för motor­strömriktaren och en för broms­choppern. Den senare har till uppgift att ta hand om energin från bromsande motorer i de fall att energin inte kan matas tillbaka till linjespänningen.

Just nu håller utvecklingsteamet i Västerås på att bygga ihop ytterligare en strömriktarlåda. Den som hittills testats stannar i staden.

– Den vi bygger nu ska vi prova här för att sedan skicka till Stockholm i slutet av november.

På frågan när SiC kommer att ta plats permanent i tåg svarar Anders Blomberg:

– Jag tror att vi kommer att se en period med demonstratorer i olika tillämpningar. Nu kör vi i Stockholm, men vi har flera andra uppslag hur vi kan demonstrera tekniken, och våra konkurrenter gör på samma sätt.

– I Japan finns redan demonstratorer ute, men där använder en äldre typ av kapsling som inte fullt ut är SiC-anpassad.