SiC功率半導(dǎo)體器件在鐵路車輛上的應(yīng)用

9SiC功率半導(dǎo)體器件在鐵路車輛上的應(yīng)用摘要:SiC功率半導(dǎo)體因其具備高溫下高速運(yùn)轉(zhuǎn)的性能,所以被越來越多地應(yīng)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(jī)驅(qū)動(dòng),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(nèi)外鐵路車輛SiC功率半導(dǎo)體器件的應(yīng)用情況。關(guān)鍵詞:SiC;功率變換裝置;鐵路車輛UBX022)06-0019-06由于對(duì)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(shè)備輕量化等多種措施。其中,最耗能的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)自上世紀(jì)70年代起采用了電力電子技術(shù),實(shí)現(xiàn)了大幅度節(jié)能。之后,驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展,采用交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),到本世紀(jì)00年代,開始采用永磁同步電機(jī),并開發(fā)了蓄電池及燃料電池等新技術(shù)。本世紀(jì)10年代,開始采用碳化硅(SiC)來制造功率半導(dǎo)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(shí)現(xiàn)小型化提供了可能性。因此,不僅是驅(qū)動(dòng)用功率變換裝置,車內(nèi)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(guān)SiC器件多種應(yīng)用的調(diào)查報(bào)告[1]中記載了2012年東京地鐵銀座線進(jìn)行了世本開始在鐵路車輛上大量采用SiC器件,到2021年,已進(jìn)入普及應(yīng)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(duì)SiC器件在鐵路車輛上的應(yīng)用情況進(jìn)行調(diào)查。本調(diào)查報(bào)告匯總整理了截至2021年11月日本國內(nèi)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(dǎo)體的特征由于功率半導(dǎo)體在高電壓條件下進(jìn)行開關(guān),所以在關(guān)斷時(shí)要具有耐高電壓、切換速度快的特性,在導(dǎo)通時(shí)電阻要小。日本鐵路車輛采用的功率半導(dǎo)體有二極管、晶閘管、GTO(門極可關(guān)斷晶閘管)以及絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)等,這些半導(dǎo)體器件均采用了硅(Si)材料。現(xiàn)在主流的IGBT利用精細(xì)的Si加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)高速開關(guān)。對(duì)于鐵路車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)用的高耐壓開關(guān),由于要提升耐高電壓性,所以勢(shì)必要增加器件厚度,這樣導(dǎo)通電阻就會(huì)變大,從而導(dǎo)致動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的熱量增加。另外,由于IGBT采用的是雙極型晶體管結(jié)構(gòu),少數(shù)載流子的累積會(huì)制約開關(guān)速度。基于上述原因,鐵路車輛用IGBT的切換頻率只能達(dá)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(chǎng)強(qiáng)度是Si的10倍,因此可以減薄器件的厚度,從而降低導(dǎo)通電阻。而且,由于采用了不會(huì)導(dǎo)致載流子累積的MOSFET)(金氧半場(chǎng)效晶體管),所以可以提高開關(guān)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(shí)現(xiàn)功率變換裝置的小型化。1.2SiC模塊半導(dǎo)體元件最小的物理單元是一種被稱作芯片的薄片,一個(gè)芯片能通過的電流是有限的。另外,由于功率半導(dǎo)體需要散熱,所以要將多個(gè)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(nèi)的器件構(gòu)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(fù)時(shí)間短(圖2),所以有助于降低IGBT的關(guān)斷損耗。圖2關(guān)斷時(shí)的反向恢復(fù)動(dòng)作CSiCMOSFETSiC極管組合而成的,能夠在高溫條件下高速運(yùn)轉(zhuǎn)工作,且能降低導(dǎo)通電阻。鐵路領(lǐng)域最先實(shí)用化的是SiC從2015年開始全SiC模塊投入使用。現(xiàn)在鐵路運(yùn)營公司根據(jù)價(jià)格和性能等來選擇模塊。1.3SiC器件的設(shè)計(jì)及效果采用SiC器件最大的動(dòng)機(jī)是家電等很多行業(yè)要實(shí)現(xiàn)高效化。但是,有人認(rèn)為在鐵路車輛上只將器件換成SiC對(duì)提高效率的作用不大[2]。而另一方面,又有很多報(bào)道稱,基于SiC器件的高溫工作特性可實(shí)現(xiàn)功率變換裝置的小型輕量化,這幾乎對(duì)所有鐵路車輛都有益處。對(duì)于小型輕量化的實(shí)際效果,由于各文獻(xiàn)記載的前提條件不同,所以很難在文獻(xiàn)之間進(jìn)行比較。為提高整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率,有些車輛也進(jìn)行了如下設(shè)計(jì)。(1)擴(kuò)大再生制動(dòng)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(dòng)(圖3),可增加再生電能,相應(yīng)地就削減了運(yùn)行電能。在2012年進(jìn)行的世界首次驗(yàn)證試驗(yàn)中,通過擴(kuò)大再生制動(dòng)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(xiàn)也報(bào)道過實(shí)際節(jié)省的電能值,但由于裝置的參數(shù)設(shè)定及列車的狀況不同,再生電能是變動(dòng)的,所以很難比較各文獻(xiàn)得出的節(jié)能值。圖3擴(kuò)大再生制動(dòng)的適用范圍(2)增加牽引電動(dòng)機(jī)的極數(shù)利用SiC器件的高速開關(guān)特性可增加原有牽引電動(dòng)機(jī)(4極)的極數(shù)。增加極數(shù)可在同一轉(zhuǎn)速下提高轉(zhuǎn)矩。而且,由于極數(shù)增加端部變短,所以可縮短牽引電機(jī)的軸向長(zhǎng)度[4]。此外,還對(duì)全SiC模塊逆變器與8極永磁同步電機(jī)相組合的系統(tǒng)進(jìn)行了走行試驗(yàn)[5]。采用SiC器件可實(shí)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(yīng)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(nèi)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(dòng)車節(jié)省出客室空間[8]。預(yù)計(jì),今后按客運(yùn)需求可進(jìn)行靈活編組的短編組列車將會(huì)增多;而且還會(huì)推出目前無法實(shí)現(xiàn)的單節(jié)獨(dú)立運(yùn)行的交流和交直流電力動(dòng)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(shí)現(xiàn)交流電動(dòng)車組驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的小型輕量化。2SiC器件在日本鐵路車輛上的應(yīng)用情況日本一直在營運(yùn)車輛上推廣SiC器件的使用,所以對(duì)鐵路運(yùn)營公司SiC器件的普及應(yīng)用及生產(chǎn)廠家的供貨情況進(jìn)行了調(diào)查,但試驗(yàn)車輛及裝用試驗(yàn)不在調(diào)查范圍之內(nèi)。調(diào)查項(xiàng)目包括:運(yùn)用車輛的型號(hào)、使用的模塊種類、功率變換裝置生產(chǎn)廠家以及裝用SiC器件車輛開始營運(yùn)的時(shí)間。為了確保調(diào)查結(jié)果的準(zhǔn)確性,信息來源只限于鐵路運(yùn)營公司及廠家公開發(fā)布或者撰寫的文獻(xiàn)(包括網(wǎng)頁)。對(duì)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(huì)8000系搭載了SiC器件,但由于生產(chǎn)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(yàn)。當(dāng)多個(gè)可信資料記載內(nèi)容矛盾時(shí),本次調(diào)查判定為采用SiC。另外,對(duì)搭載SiC器件車輛有微小改動(dòng)的車輛不作為本次調(diào)查對(duì)象。對(duì)未明確記載投入營運(yùn)時(shí)間的部分車型,根據(jù)車輛完工時(shí)間及文獻(xiàn)發(fā)表的時(shí)間推測(cè)其投入營運(yùn)的時(shí)間。2.1驅(qū)動(dòng)用功率變換裝置表1和表2列示出SiC器件在驅(qū)動(dòng)用功率變換裝置(VVVF逆變器、變流器和逆變器等驅(qū)動(dòng)牽引電動(dòng)機(jī)的功率變換裝置)中的應(yīng)用情況。到2021年,驅(qū)動(dòng)用功率變換裝置采用SiC器件的車型約有60種。從運(yùn)營公司的普及應(yīng)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(yùn)營。SiC器件不僅用于直流電動(dòng)車組,而且還擴(kuò)展到交流電動(dòng)車組、交直流電動(dòng)車組、新干線電動(dòng)車組、路面有軌電車和電傳動(dòng)內(nèi)燃動(dòng)車組等。從功率變換裝置廠家的供貨情況來看,有5個(gè)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(qū)動(dòng)用功率變換裝置中的應(yīng)用情況(日本鐵路公司集團(tuán)JR)鐵路公司車輛型號(hào)投入營運(yùn)的時(shí)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(chǎn)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(yùn)混合SiC三菱供的模塊類型來看,東芝、三菱電機(jī)及日立制作所交付的驅(qū)動(dòng)用功率變換裝置都采用了自制的全SiC模塊,富士電機(jī)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(yīng)國8600系首次在輔助電源裝置中采用了SiC器件。有關(guān)SiC器件用于輔助電源裝置的文獻(xiàn)很少,所以調(diào)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(diào)查確認(rèn)輔助電源裝置沒有使用全SiC模塊。其原因不明,可能是因?yàn)檩o助電源裝置的電流比驅(qū)動(dòng)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(shì)不大。從廠家供貨情況來看,三菱電機(jī)、東芝和東洋電機(jī)3家公司都交付了SiC輔助電源用功率變換裝置。但結(jié)合驅(qū)動(dòng)用功率變換裝置的供貨情況來看,有5家公司能生產(chǎn)輔助電源用功率變換裝置。3SiC器件在海外的應(yīng)用情況由于海外裝用SiC器件的營運(yùn)車輛很少,所以,對(duì)海外電氣設(shè)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(xiàng)目,所以可通過有關(guān)PINTA的信息了解海外廠家SiC器件的研發(fā)動(dòng)向。此外,還對(duì)中國的研發(fā)表2SiC器件在驅(qū)動(dòng)用功率變換裝置中的應(yīng)用情況(民營鐵路)鐵路公司車輛型號(hào)投入營運(yùn)的時(shí)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(dòng)車組、東急電鐵3020系,以局N2000系。情況進(jìn)行了調(diào)查,但只看到有關(guān)研究信息,沒有發(fā)現(xiàn)SiC器件搭載在鐵路車輛上進(jìn)行試驗(yàn)的信息。表3SiC器件在輔助電源裝置中的應(yīng)用情況鐵路公司車輛型號(hào)投入運(yùn)營時(shí)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(qū)動(dòng)用可切換成輔助電源用功率變換器公報(bào)》雜志及InnoTrans2018展會(huì)資料等為基礎(chǔ),調(diào)查了合同信息及車輛廠家計(jì)劃采用SiC器件的資料等。調(diào)查時(shí)盡可能地選取鐵路運(yùn)營公司和電機(jī)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(wǎng)站的信息。3.1SiC器件在營運(yùn)車輛上的應(yīng)用情況表4匯總了海外營運(yùn)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(jī)提供的產(chǎn)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(chǎn)的SiC輔助電源裝置也已開始在營運(yùn)車輛上裝用。另外,有關(guān)倫敦地鐵的訂購信息[10]未記載車輛投入運(yùn)營的具體時(shí)間。海外電氣設(shè)備廠家之所以先研究輔助電源裝置,是因?yàn)檩o助電源裝置的電流比驅(qū)動(dòng)用功率變換裝置的電流小,容易進(jìn)行模塊開發(fā)。3.2海外電氣設(shè)備廠家的開發(fā)情況表5列示出海外電氣設(shè)備廠家的開發(fā)情況。開發(fā)了鐵路車輛驅(qū)動(dòng)用SiC功率變換裝置(PINTA不僅研發(fā)功率變換裝置,還進(jìn)行與鐵路車輛驅(qū)動(dòng)相關(guān)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(yīng)用情況鐵路公司或線路車型投入運(yùn)營的時(shí)間用途模塊類型廠家烏克蘭基輔地鐵E-KM型E2016-07驅(qū)動(dòng)合SiC三菱美國長(zhǎng)島鐵路M9型2019-11?驅(qū)動(dòng)合SiC三菱美國馬薩諸塞灣港灣局2019-08驅(qū)動(dòng)合SiC三菱瑞士國鐵RABe501型2019輔助電源ABB臺(tái)灣的臺(tái)中捷運(yùn)中運(yùn)量電動(dòng)車組?2020-11?驅(qū)動(dòng)合SiC三菱卡塔爾軌道多哈地鐵—2019-05驅(qū)動(dòng)合SiC新加坡湯姆森-東海岸線T251型?計(jì)劃2023?驅(qū)動(dòng)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(fèi)用總額約3000萬歐元)。在PIN-TA項(xiàng)目中,由3家公司研發(fā)不同用途車輛的驅(qū)動(dòng)用SiC功率變換裝置:西門子負(fù)責(zé)路面有軌電車,CAF公司負(fù)責(zé)地鐵通勤車,龐巴迪負(fù)責(zé)近郊電動(dòng)車組;而阿爾斯通負(fù)責(zé)開發(fā)高速車輛用直驅(qū)電機(jī)。19年11月,進(jìn)行了后續(xù)項(xiàng)目PIN-TA2[12]的開發(fā),于2021年1月27日舉行了項(xiàng)目總結(jié)會(huì)。最后階段的PINTA3項(xiàng)目[13]從2020年12月起開始進(jìn)行開發(fā)研究,計(jì)劃于2023年5月結(jié)束。3個(gè)項(xiàng)目的研發(fā)時(shí)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(qū)動(dòng)用SiC功率變換裝置安裝在C20型通勤電動(dòng)車組上,并在瑞典斯德哥爾摩地鐵線上進(jìn)行了營運(yùn)驗(yàn)證試驗(yàn)[14](該試驗(yàn)與PINTA項(xiàng)目無關(guān))。西門子于2020年8月至2021年2月期間在德國慕尼黑進(jìn)行了路面有軌電車的裝用驗(yàn)證試驗(yàn)[15],功率變換裝置采用全SiC模塊。這種模塊的試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)報(bào)告中記載:樣品器件為1.7kVSiCMOSFET,開關(guān)頻率3kHz。CAF公司從2021年2月起在西班牙進(jìn)行了為期2年的驗(yàn)證試驗(yàn)[16]。PINTA項(xiàng)目的總體目標(biāo)是在PINTA3結(jié)束后的2024年將SiC功率變換裝置投入市場(chǎng)。另外,雖然對(duì)驗(yàn)證試驗(yàn)及試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)所用的電路方式(2電平、3電平)進(jìn)行了調(diào)查,但未能確認(rèn)所采用的具體方式。3.3海外電氣設(shè)備廠家的產(chǎn)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(chǎn)品型式并制作產(chǎn)品目錄。西門子產(chǎn)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(biāo)明型號(hào),由于用于電池充電器和車載變流器,所以認(rèn)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(chǎn)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(chǎn)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(wǎng)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(xì)情況的介紹。除電氣設(shè)備制造公司外,海外鐵路車輛制造公司也在車輛上推廣應(yīng)用SiC器件。西門子公司計(jì)劃2023年投入商業(yè)運(yùn)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(qū)動(dòng)用功率變換裝置的地鐵車輛的信息[21],但運(yùn)用前景尚不明朗。這些信表5海外電氣設(shè)備廠家開發(fā)SiC驅(qū)動(dòng)用功率變換裝置的情況研究階段PINTAPINTA2PINTA3開發(fā)時(shí)間2016-09—2018-122018-09—2020-112020-12—2023-05資金總額?(括號(hào)內(nèi)為西門子(路面有軌電車用)對(duì)SiC混合模塊功率變換裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)SiC模塊)計(jì)劃完成驗(yàn)證試驗(yàn)CAF(地鐵通勤車用)開發(fā)SiC功率變換裝置(只停留在設(shè)計(jì)階段,未制造)在實(shí)驗(yàn)室對(duì)用于DC1.5kV的全SiC功率變換裝置樣機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)。從2021年2月起在西班牙巴斯克鐵路進(jìn)行為期2年的營運(yùn)驗(yàn)證試驗(yàn)計(jì)劃完成驗(yàn)證試驗(yàn)龐巴迪(近郊動(dòng)車組用)無信息NTA月—2018年5月,裝用營運(yùn)通勤車在瑞典斯德哥爾摩進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)(所用模塊未知)將功率變換裝置(所用模塊未知)樣機(jī)與變壓器、功率變換器、電機(jī)及齒輪裝置組裝在一起進(jìn)行試驗(yàn)計(jì)劃在試驗(yàn)線上進(jìn)行示范走行?PINTA各階段項(xiàng)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(huì),此后,受新冠疫情影響,開發(fā)工作