SiC功率半導體器件在鐵路車輛上的應用

9SiC功率半導體器件在鐵路車輛上的應用摘要:SiC功率半導體因其具備高溫下高速運轉的性能,所以被越來越多地應用于各種功率變換器。2012年,日本首次在鐵路車輛上采用SiC器件。到2021年,日本的許多鐵路車輛都已安裝SiC功率變換裝置。這些SiC功率變換裝置不僅限于電機驅動,而且還用于輔助電源和PWM整流器。然而,日本海外的鐵路車輛很少使用SiC器件。介紹日本國內外鐵路車輛SiC功率半導體器件的應用情況。關鍵詞:SiC;功率變換裝置;鐵路車輛UBX022)06-0019-06由于對鐵路車輛節(jié)能的需求較大,所以采取了諸如車體及電氣設備輕量化等多種措施。其中,最耗能的驅動系統(tǒng)自上世紀70年代起采用了電力電子技術,實現(xiàn)了大幅度節(jié)能。之后,驅動系統(tǒng)進一步發(fā)展,采用交流電動機驅動,到本世紀00年代,開始采用永磁同步電機,并開發(fā)了蓄電池及燃料電池等新技術。本世紀10年代,開始采用碳化硅(SiC)來制造功率半導體器件(以下稱為SiC器件),這為降低功率變換裝置本身的功耗及實現(xiàn)小型化提供了可能性。因此,不僅是驅動用功率變換裝置,車內電源用功率變換裝置(靜止型輔助電源裝置)也開始逐漸采用SiC器件。2016年發(fā)表的有關SiC器件多種應用的調查報告[1]中記載了2012年東京地鐵銀座線進行了世本開始在鐵路車輛上大量采用SiC器件,到2021年,已進入普及應用階段。而日本以外的很多廠家還處于開發(fā)階段,所以有必要對SiC器件在鐵路車輛上的應用情況進行調查。本調查報告匯總整理了截至2021年11月日本國內外鐵路車輛采用SiC器件的現(xiàn)狀及開發(fā)情況。1SiC器件1.1SiC半導體的特征由于功率半導體在高電壓條件下進行開關,所以在關斷時要具有耐高電壓、切換速度快的特性,在導通時電阻要小。日本鐵路車輛采用的功率半導體有二極管、晶閘管、GTO(門極可關斷晶閘管)以及絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)等,這些半導體器件均采用了硅(Si)材料?，F(xiàn)在主流的IGBT利用精細的Si加工技術實現(xiàn)高速開關。對于鐵路車輛驅動系統(tǒng)用的高耐壓開關,由于要提升耐高電壓性,所以勢必要增加器件厚度,這樣導通電阻就會變大,從而導致動作時產生的熱量增加。另外,由于IGBT采用的是雙極型晶體管結構,少數(shù)載流子的累積會制約開關速度?；谏鲜鲈?鐵路車輛用IGBT的切換頻率只能達到幾kHz,所以目前高速走行只能采用單脈沖模式(方波電壓模式)。由于SiC的絕緣擊穿電場強度是Si的10倍,因此可以減薄器件的厚度,從而降低導通電阻。而且,由于采用了不會導致載流子累積的MOSFET)(金氧半場效晶體管),所以可以提高開關速度。再加上SiC器件可在高溫條件下工作,所以通過高密度封裝可實現(xiàn)功率變換裝置的小型化。1.2SiC模塊半導體元件最小的物理單元是一種被稱作芯片的薄片,一個芯片能通過的電流是有限的。另外,由于功率半導體需要散熱,所以要將多個芯片集成在稱為“模塊”的封裝中來使用,SiC模塊有混合SiC模塊和全SiC模塊兩種(圖1)。圖1SiC模塊內的器件構成混合SiC模塊是將原來的IGBT模塊中的二極管換成了SiC器件(SiC肖特基二極管)。由于SiC肖特基二極管的反向恢復時間短(圖2),所以有助于降低IGBT的關斷損耗。圖2關斷時的反向恢復動作CSiCMOSFETSiC極管組合而成的,能夠在高溫條件下高速運轉工作,且能降低導通電阻。鐵路領域最先實用化的是SiC從2015年開始全SiC模塊投入使用。現(xiàn)在鐵路運營公司根據(jù)價格和性能等來選擇模塊。1.3SiC器件的設計及效果采用SiC器件最大的動機是家電等很多行業(yè)要實現(xiàn)高效化。但是,有人認為在鐵路車輛上只將器件換成SiC對提高效率的作用不大[2]。而另一方面,又有很多報道稱,基于SiC器件的高溫工作特性可實現(xiàn)功率變換裝置的小型輕量化,這幾乎對所有鐵路車輛都有益處。對于小型輕量化的實際效果,由于各文獻記載的前提條件不同,所以很難在文獻之間進行比較。為提高整個驅動系統(tǒng)效率,有些車輛也進行了如下設計。(1)擴大再生制動的適用范圍利用SiC器件的高溫工作特性,與IGBT模塊相比,可提高有效電流值。將增加的部分用于再生制動(圖3),可增加再生電能,相應地就削減了運行電能。在2012年進行的世界首次驗證試驗中,通過擴大再生制動的適用范圍,可使使用電量比常規(guī)配置的耗電量降低14%[3]。其他許多文獻也報道過實際節(jié)省的電能值,但由于裝置的參數(shù)設定及列車的狀況不同,再生電能是變動的,所以很難比較各文獻得出的節(jié)能值。圖3擴大再生制動的適用范圍(2)增加牽引電動機的極數(shù)利用SiC器件的高速開關特性可增加原有牽引電動機(4極)的極數(shù)。增加極數(shù)可在同一轉速下提高轉矩。而且,由于極數(shù)增加端部變短,所以可縮短牽引電機的軸向長度[4]。此外,還對全SiC模塊逆變器與8極永磁同步電機相組合的系統(tǒng)進行了走行試驗[5]。采用SiC器件可實現(xiàn)功率變換裝置的小型化,從而節(jié)省出空間。近幾年,在車輛空間布局上大多利用節(jié)省的空間來搭載應急走行蓄電池[6]。就N700S新干線列車來說,由于功率變換裝置小型化提高了裝配的自由度,所以可將編組內的車輛種類由8種削減到4種,從而提高了車輛編組的自由度[7]。另外,通過采用SiC器件也能使燃料電池動車節(jié)省出客室空間[8]。預計,今后按客運需求可進行靈活編組的短編組列車將會增多;而且還會推出目前無法實現(xiàn)的單節(jié)獨立運行的交流和交直流電力動車。此外,還積極利用SiC器件的耐高電壓特性來研發(fā)用作主變壓器的電力電子變壓器[9],從而可實現(xiàn)交流電動車組驅動系統(tǒng)的小型輕量化。2SiC器件在日本鐵路車輛上的應用情況日本一直在營運車輛上推廣SiC器件的使用,所以對鐵路運營公司SiC器件的普及應用及生產廠家的供貨情況進行了調查,但試驗車輛及裝用試驗不在調查范圍之內。調查項目包括:運用車輛的型號、使用的模塊種類、功率變換裝置生產廠家以及裝用SiC器件車輛開始營運的時間。為了確保調查結果的準確性,信息來源只限于鐵路運營公司及廠家公開發(fā)布或者撰寫的文獻(包括網頁)。對于來自于鐵道愛好者編寫的資料(例如發(fā)布在維基百科或發(fā)表于興趣雜志上的投稿)會8000系搭載了SiC器件,但由于生產廠家資料及可靠性較高的維基百科上都未記載,所以判斷為裝用試驗。當多個可信資料記載內容矛盾時,本次調查判定為采用SiC。另外,對搭載SiC器件車輛有微小改動的車輛不作為本次調查對象。對未明確記載投入營運時間的部分車型,根據(jù)車輛完工時間及文獻發(fā)表的時間推測其投入營運的時間。2.1驅動用功率變換裝置表1和表2列示出SiC器件在驅動用功率變換裝置(VVVF逆變器、變流器和逆變器等驅動牽引電動機的功率變換裝置)中的應用情況。到2021年,驅動用功率變換裝置采用SiC器件的車型約有60種。從運營公司的普及應用情況來看,除JR四國以外的JR各大公司以及多數(shù)的大型私營鐵路公司都有搭載SiC器件的車輛投入運營。SiC器件不僅用于直流電動車組,而且還擴展到交流電動車組、交直流電動車組、新干線電動車組、路面有軌電車和電傳動內燃動車組等。從功率變換裝置廠家的供貨情況來看,有5個廠家交付了搭載SiC器件的功率變換裝置。從提表1SiC器件在驅動用功率變換裝置中的應用情況(日本鐵路公司集團JR)鐵路公司車輛型號投入營運的時間模塊類型廠家JR北海道三菱JR東日本混合SiCGV-E400系混合SiC三菱混合SiC未知JR東海量產車混合SiC未知未知JR西日本三菱JR九州混合SiC三菱JR貨運混合SiC三菱供的模塊類型來看,東芝、三菱電機及日立制作所交付的驅動用功率變換裝置都采用了自制的全SiC模塊,富士電機也提供了自制的模塊,但未查明是混合SiC模塊還是全SiC模塊。2.2輔助電源裝置表3匯總了SiC器件在輔助電源裝置中的應國8600系首次在輔助電源裝置中采用了SiC器件。有關SiC器件用于輔助電源裝置的文獻很少,所以調查可能不夠充分,目前只能確定搭載SiC輔助電源裝置的車輛有20種左右。這次調查確認輔助電源裝置沒有使用全SiC模塊。其原因不明,可能是因為輔助電源裝置的電流比驅動用功率變換裝置的電流小,并且連續(xù)工作,所以采用全SiC模塊的優(yōu)勢不大。從廠家供貨情況來看,三菱電機、東芝和東洋電機3家公司都交付了SiC輔助電源用功率變換裝置。但結合驅動用功率變換裝置的供貨情況來看,有5家公司能生產輔助電源用功率變換裝置。3SiC器件在海外的應用情況由于海外裝用SiC器件的營運車輛很少,所以,對海外電氣設備廠家開發(fā)功率變換裝置的情況巴迪和阿爾斯通)參加了獲資金資助的PINTA開發(fā)項目,所以可通過有關PINTA的信息了解海外廠家SiC器件的研發(fā)動向。此外,還對中國的研發(fā)表2SiC器件在驅動用功率變換裝置中的應用情況(民營鐵路)鐵路公司車輛型號投入營運的時間模塊類型廠家西武6000系更新車2015-05三菱2019-03三菱京成2017-12合SiC東洋2019-10合SiC東洋京王2017-09合SiC8000系更新車2015合SiC小田急新車2015-01三菱2020-03三菱8000型更新車2013合SiC三菱30000型更新車2017-03三菱2018-03三菱東急2018-03三菱相鐵2018-02合SiC東京地鐵2015-04合SiC東芝2019-02東芝05系更新車(北綾瀨支線)2014-04合SiC三菱2021-02三菱2021-08未知9000系更新車2016-08未知東急新車2017未知三菱東京都交通局2018-06三菱未知未知2019-02合SiC橫濱市交通局3000V型2017-04合SiC三菱新京成8800型更新車2016-02未知2019-12三菱筑波快線TX-3000系2020-03名鐵2019-12合SiC東芝名古屋市交通局2000型更新車2013-03合SiC三菱福井鐵路2013-03合SiC三菱越前鐵路2013-02合SiC三菱近鐵2020-03合SiC菱、南海2019合SiC未知京都市交通局2015-05合SiC未知神戶市交通局2019-02合SiC7000-A系2016未知神戶電鐵2016-05三菱神戶新交通2018-08合SiC三菱廣島電鐵3900型更新車2017-02合SiC東洋西鐵6050型更新車2016合SiC未知2016-03合SiC東芝注:除此之外,裝用SiC器件的車輛還有維基百科上介紹的東京地鐵13000系第22列編組之后交付的動車組、東急電鐵3020系,以局N2000系。情況進行了調查,但只看到有關研究信息,沒有發(fā)現(xiàn)SiC器件搭載在鐵路車輛上進行試驗的信息。表3SiC器件在輔助電源裝置中的應用情況鐵路公司車輛型號投入運營時間模塊類型廠家JR北海道H100型2020-03未知三菱2014-06合SiC未知2016-06合SiC未知DD200型2018-06合SiC三菱札幌市交通局合SiC未知東武2017-07合SiC未知2017-04未知未知京王造車合SiC三菱西武2017-03合SiC未知東京地鐵2013-06合SiC三菱2019-02合SiC未知合SiC未知05系更新車(北綾瀬支線)2014-04合SiC三菱2015-09合SiC三菱2021-02合SiC未知2021-08合SiC未知TX-3000系2020-03合SiC未知近鐵2020-03合SiC未知阪神2015-08合SiC未知神戶市交通局2019-02合SiC未知廣島高速2020-03合SiC東洋西鐵型?2016-03合SiC東芝?驅動用可切換成輔助電源用功率變換器公報》雜志及InnoTrans2018展會資料等為基礎,調查了合同信息及車輛廠家計劃采用SiC器件的資料等。調查時盡可能地選取鐵路運營公司和電機廠家公布的信息,但由于信息較少,所以也利用了維基百科和新聞網站的信息。3.1SiC器件在營運車輛上的應用情況表4匯總了海外營運車輛裝用SiC器件的情況。從表中可看出,很多都是由最早開發(fā)SiC器件的三菱電機提供的產品,或是直接訂購日本車輛廠家制造的車輛。另一方面,ABB和龐巴迪公司生產的SiC輔助電源裝置也已開始在營運車輛上裝用。另外,有關倫敦地鐵的訂購信息[10]未記載車輛投入運營的具體時間。海外電氣設備廠家之所以先研究輔助電源裝置,是因為輔助電源裝置的電流比驅動用功率變換裝置的電流小,容易進行模塊開發(fā)。3.2海外電氣設備廠家的開發(fā)情況表5列示出海外電氣設備廠家的開發(fā)情況。開發(fā)了鐵路車輛驅動用SiC功率變換裝置(PINTA不僅研發(fā)功率變換裝置,還進行與鐵路車輛驅動相關的噪聲、EMC和黏著等許多方面的課題研究,表4SiC器件在海外鐵路車輛上的應用情況鐵路公司或線路車型投入運營的時間用途模塊類型廠家烏克蘭基輔地鐵E-KM型E2016-07驅動合SiC三菱美國長島鐵路M9型2019-11?驅動合SiC三菱美國馬薩諸塞灣港灣局2019-08驅動合SiC三菱瑞士國鐵RABe501型2019輔助電源ABB臺灣的臺中捷運中運量電動車組?2020-11?驅動合SiC三菱卡塔爾軌道多哈地鐵—2019-05驅動合SiC新加坡湯姆森-東海岸線T251型?計劃2023?驅動合SiC三菱英國倫敦地鐵未知輔助電源未知龐巴迪?維基百科的信息PINTA的研發(fā)費用總額約3000萬歐元)。在PIN-TA項目中,由3家公司研發(fā)不同用途車輛的驅動用SiC功率變換裝置:西門子負責路面有軌電車,CAF公司負責地鐵通勤車,龐巴迪負責近郊電動車組;而阿爾斯通負責開發(fā)高速車輛用直驅電機。19年11月,進行了后續(xù)項目PIN-TA2[12]的開發(fā),于2021年1月27日舉行了項目總結會。最后階段的PINTA3項目[13]從2020年12月起開始進行開發(fā)研究,計劃于2023年5月結束。3個項目的研發(fā)時間有所重疊,其原因尚不清楚。從開發(fā)情況來看,龐巴迪早在2018年就將驅動用SiC功率變換裝置安裝在C20型通勤電動車組上,并在瑞典斯德哥爾摩地鐵線上進行了營運驗證試驗[14](該試驗與PINTA項目無關)。西門子于2020年8月至2021年2月期間在德國慕尼黑進行了路面有軌電車的裝用驗證試驗[15],功率變換裝置采用全SiC模塊。這種模塊的試驗臺試驗報告中記載:樣品器件為1.7kVSiCMOSFET,開關頻率3kHz。CAF公司從2021年2月起在西班牙進行了為期2年的驗證試驗[16]。PINTA項目的總體目標是在PINTA3結束后的2024年將SiC功率變換裝置投入市場。另外,雖然對驗證試驗及試驗臺試驗所用的電路方式(2電平、3電平)進行了調查,但未能確認所采用的具體方式。3.3海外電氣設備廠家的產品目錄與工業(yè)用功率變換裝置一樣,海外鐵路用功率變換裝置大多由制造廠家決定產品型式并制作產品目錄。西門子產品目錄[17](發(fā)行年份不詳)中有鐵路用SiC功率變換裝置,但未標明型號,由于用于電池充電器和車載變流器,所以認為屬于輔助電源部件。波蘭Medcom公司很早就開始采用SiC器件,在其2018年產品目錄[18]中列出多款SiC功率變換裝置,但大多用于路面有軌電車。Medcom公司產品目錄中只有一種用于120kVA輔助電源的PSM-145SiC型,適用于直流1500V供電網壓。據(jù)悉,札幌市交通局的除雪車采用了Medcom公司的SiC功率變換裝置[19],但沒有詳細情況的介紹。除電氣設備制造公司外,海外鐵路車輛制造公司也在車輛上推廣應用SiC器件。西門子公司計劃2023年投入商業(yè)運營的新一代高速列車VelaroNovo[20]的輔助電源裝置就采用了SiC器件,但沒(CRRC)發(fā)布了裝用SiC驅動用功率變換裝置的地鐵車輛的信息[21],但運用前景尚不明朗。這些信表5海外電氣設備廠家開發(fā)SiC驅動用功率變換裝置的情況研究階段PINTAPINTA2PINTA3開發(fā)時間2016-09—2018-122018-09—2020-112020-12—2023-05資金總額?(括號內為西門子(路面有軌電車用)對SiC混合模塊功率變換裝置進行實驗室試驗SiC模塊)計劃完成驗證試驗CAF(地鐵通勤車用)開發(fā)SiC功率變換裝置(只停留在設計階段,未制造)在實驗室對用于DC1.5kV的全SiC功率變換裝置樣機進行了試驗。從2021年2月起在西班牙巴斯克鐵路進行為期2年的營運驗證試驗計劃完成驗證試驗龐巴迪(近郊動車組用)無信息NTA月—2018年5月,裝用營運通勤車在瑞典斯德哥爾摩進行了驗證試驗(所用模塊未知)將功率變換裝置(所用模塊未知)樣機與變壓器、功率變換器、電機及齒輪裝置組裝在一起進行試驗計劃在試驗線上進行示范走行?PINTA各階段項目的資金總額,并未全部投入SiC功率變換裝置的開發(fā)。)息主要來自于InnoTrans2018展會,此后,受新冠疫情影響,開發(fā)工作