IGBT在中國軌道交通車輛中的應用-20100821-第四講-2

IGBT器件

在軌道交通車倆中的應用Thursday,May16,2024中國軌道交通的發(fā)展IGBT在軌道交通中的應用市場IGBT的研制與規(guī)?；圃霫GBT功率模塊配套技術的開發(fā)IGBT器件在軌道交通運輸中的應用

1、鐵路運輸

2004年1月，國務院批準了中國鐵路歷史上第一個《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》。在“十一五”期間，將建成7000公里客運專線。2008年11月頒布了《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃（調整）》，到2020年，全國鐵路營業(yè)里程將達到12萬公里以上，復線率和電氣化率均分別達到50%和60%，建成高速鐵路16000公里，在十個煤炭外運基地及新疆地區(qū)建成大能力的煤運通道，開行10000t～20000t重載單元組合列車。一、中國軌道交通的發(fā)展

為實現(xiàn)上述規(guī)劃目標，鐵道部按照“引進先進技術，聯(lián)合設計生產，打造中國品牌”的總體要求和“先進、成熟、經濟、適用、可靠”的技術引進方針，堅持自主創(chuàng)新，聯(lián)合設計制造出運營時速200-250公里和運營時速300-350公里的高速動車組、貨運大功率交流傳動電力及內燃機車。2007年，國產運營時速200-250公里高速動車組首次批量下線，HXD1型、HXD2型、HXD3型和諧號大功率交流傳動電力機車首次投入運營，成功運用于鐵路第六次大面積提速。2008年，國產運營時速300-350公里高速動車組成功下線，并于北京奧運會期間在京津城際鐵路投入運營。一、中國軌道交通的發(fā)展2008年，國產運營時速300-350公里高速動車組成功下線，并于北京奧運會期間在京津城際鐵路投入運營。一、中國軌道交通的發(fā)展

2008年4月18日，舉世矚目的京滬高速鐵路全線開工，這是世界上一次建成線路最長、標準最高的高速鐵路，也是新中國成立以來一次投資規(guī)模最大的建設項目。其中，用于高速動車組的首期投資近400億元，新一代京滬高速動車組的持續(xù)運營時速將達到380公里。建設京滬高速鐵路對解決我國交通運輸能力供給不足的矛盾，推動我國鐵路科技創(chuàng)新和國民經濟又好又快的發(fā)展具有重大意義。按照中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃和目前鐵路建設、技術裝備現(xiàn)代化的速度，到2012年，全國將有800列高速動車組投入使用。一、中國軌道交通的發(fā)展2、城市軌道交通據(jù)有關資料介紹，到2015年，將有超過30個城市建設85條城市軌道線路，總長2700公里以上，需車輛20000輛，預計未來五年內主要城軌車輛的需求約為5000-6000輛；到2020年，北京、上海、廣州、南京、天津、深圳、成都、沈陽、哈爾濱、青島等城市將建成、通車的線路總計40多條，約6000km，總投資在7000億元以上。一、中國軌道交通的發(fā)展中國軌道交通的發(fā)展IGBT在軌道牽引中的應用

IGBT的研究與規(guī)?；圃霫GBT功率模塊配套技術的開發(fā)IGBT器件在中國軌道交通運輸中的應用二、IGBT在軌道牽引中的應用動車組牽引動力配置

交流傳動技術是現(xiàn)代軌道交通技術裝備的核心技術之一。在交流傳動系統(tǒng)中，牽引變流器是關鍵部件，而電力電子器件又是牽引變流器最核心的器件之一?！耙淮骷右淮鷳谩薄Ｄ壳?，IGBT（絕緣柵級雙極型晶體管）器件已成為軌道交通車輛牽引變流器和各種輔助變流器的主流電力電子器件。

二、IGBT在軌道牽引中的應用1、鐵路市場中的需求動車組牽引系統(tǒng)組成牽引變流器齒輪箱牽引電機牽引變壓器MVBCCU輔助變流器TCUACUWTB二、IGBT在軌道牽引中的應用二、IGBT在軌道牽引中的應用交流傳動機車及動車組變流器參數(shù)二、IGBT在軌道牽引中的應用

鐵路和城市軌道車輛用牽引變流器所需的IGBT器件較其他工業(yè)變流器用IGBT器件具有更高的要求，具體有如下幾方面：(1)功率要求更高，因需要在有限的空間發(fā)揮很大的牽引功率，要求更高的功率密度；(2)要實現(xiàn)制動能量的回饋，IGBT內反并聯(lián)二極管要求更大的容量；(3)車載運行環(huán)境相對地面靜止環(huán)境在溫度、振動、沖擊、灰塵等諸多方面更加嚴格；(4)牽引系統(tǒng)特殊的負荷特性。二、IGBT在軌道牽引中的應用

鑒于IGBT對交流傳動技術的巨大促進作用，西門子、龐巴迪、阿爾斯通、三菱等擁有先進交流傳動系統(tǒng)技術的國外公司都有緊密的IGBT制造企業(yè)為之配套，它們投入大量資金，有效組織電力電子和微電子業(yè)界的專門人才進行聯(lián)合開發(fā)，一直占據(jù)著高壓大電流IGBT器件研發(fā)的制高點。

二、IGBT在軌道牽引中的應用

隨著應用的發(fā)展，IGBT技術的發(fā)展重點轉到模塊技術上來。IGBT模塊多以超大功率IGBT模塊與IGBT-IPM智能功率模塊為主。IGBT-IPM是以IGBT芯片為基體，內含接口、傳感、保護和功率控制等功能電路的智能功率模塊。在軌道交通牽引應用領域中，經過市場的磨合，IGBT模塊的主要廠商集中到Infineon、MITSUBISHI、ABB與TOSHIBA上。下表為幾種常用軌道交通牽引IGBT模塊的應用情況。二、IGBT在軌道牽引中的應用電壓定額電流定額制造廠家型號應用領域應用實例1200V300AABB5SNS0300U120100輔助變流器InfineonBSM300GA120DN2S1700V1600AABB5SNA1600N170100DC750供電的地鐵、輕軌北京地鐵MITSUBISHICM1600HC-34HInfineonFZ1600R17KE3_B22400AABB5SNA2400E170100MITSUBISHICM2400HC-34NInfineonFZ2400R17KE3_B23300V800AABB5SNA0800N330100DC1500供電的地鐵、輕軌及機車領域上海地鐵等MITSUBISHICM800HC-66HInfineonFZ800R33KL2C_B5TOSHIBAMG800FXF1US531200AABB5SNA1200E330100DC1500供電的地鐵、輕軌及中間電壓為DC1800V機車、動車領域CHR2動車組、HXD1大功率機車MITSUBISHICM1200HG-66HInfineonFZ1200R33KL2C_B5TOSHIBAST1200FXF224500V900AMITSUBISHICM900HB-90H中間電壓為DC2500V的機車、動車領域HXD3大功率機車TOSHIBAMG900GXH1US53WESTCODET0900EA45A6500V600AABB、Infineon5SNA0600G650100中間電壓為DC3500V的機車、動車領域HXD2大功率機車、CRH3動車組二、IGBT在軌道牽引中的應用西門子在機車及動車組中應用的模塊化功率單元（水冷）SIBAC@BBSx-1500SIBAC@BBSx-3000應用于DC電壓1.2kv～3.6kv（max4.3kv）相電流300A～

2000A最高開關頻率可達800～

1000Hz二、IGBT在軌道牽引中的應用ALSTOM6500V-600A模塊化的功率單元，開關頻率可達1000Hz。2024年5月16日第19頁共頁二、IGBT在軌道牽引中的應用

列車啟動時，調制比小、脈寬很窄，采用更低開關頻率150Hz。加速至6.2km/h時，開始增加開關頻率。當車速9km/h、同步頻率為5.8Hz時，進入異步調制區(qū)，開關頻率固定保持為460Hz。當加速至49km/h，同步頻率26Hz時，進入同步調制區(qū)域，載頻比從15開始，依次變化為13/11/9/7/5/3。當車速為222km/h，同步頻率120Hz時，由3脈波切換為方波調制方式。列車最高運行速度350km/h時同步頻率190Hz。一般情況下牽引變流器的開關頻率最高約600Hz二、IGBT在軌道牽引中的應用

面臨當前鐵路運輸能力嚴重不足和技術裝備水平差的現(xiàn)狀，鐵道部本著采用“先進、成熟、經濟、適用、可靠”的技術方針，按照“標準化、系列化、模塊化、信息化”的要求，立足國產化，引進先進技術，聯(lián)合設計生產，打造中國品牌，加強對引進技術的消化吸收和再創(chuàng)新，增強自主創(chuàng)新能力，加快推進技術裝備現(xiàn)代化。當前引進的大功率交流傳動機車和高速動車組中，牽引變流器主要采用大功率IGBT，據(jù)不完全統(tǒng)計如下表：二、IGBT在軌道牽引中的應用

機車型號HXD1（HXD1C）HXD2HXD3/D3CHXN3HXN5六軸9600kW貨運機車大連廠大同廠株洲廠IGBT等級3300V/1200A3300V/1200A4500V/900A4500V/1200A2400V/2200A4500V/900A6500V/600A6500V/600AIGBT數(shù)量（個/臺）88（96）80662436909088機車數(shù)量（臺）220（990）1801430300300500500500IGBT總量（個）114400144009438072001080045006120044000交流傳動機車IGBT器件等級及數(shù)量二、IGBT在軌道牽引中的應用動車組型號200km/h等級300km/h等級CRH1CRH2CRH5CRH3CRH2IGBT等級3300V/1200A3300V/1200A6500V/600A6500V/600A3300V/1200AIGBT數(shù)量（個/列）8080150128100動車組數(shù)量（列）10010080235100IGBT總量（個）80008000120003008010000電動車組IGBT器件等級及數(shù)量二、IGBT在軌道牽引中的應用

從以上兩表可以看出，3300V/1200A、4500V/900A、6500V/600A等級為IGBT器件的主流產品，分別占總量的33％、33％、28％，合計占總量的94％。二、IGBT在軌道牽引中的應用

北京、上海、廣州、深圳、南京等多個城市計劃在“十一五”期間新建城市軌道交通線路1400多公里，總投資達五千多億元人民幣。2、城市軌道交通市場需求二、IGBT在軌道牽引中的應用

以北京城鐵13號線為例，該線路全長40.85公里，共配備52列，每列目前編組為2M2T，遠期將改造為3M3T。該車采用架控方式，即一個變流器控制一個轉向架上的兩臺電機，每個動車有兩個變流器。變流器開關器件采用1700V/1200A等級的IGBT，由于是車載限壓斬波器，所以每個主變流器共有7個IGBT。二、IGBT在軌道牽引中的應用

廣州地鐵3號線全長36.33公里，共配備40列，每列目前編組為2M1T三節(jié)車廂編組，遠期將改造為4M2T，該線路最高速度為120km/h。動車同樣采用架控方式，由于接觸網(wǎng)電壓為DC1500V，因此變流器開關器件采用3300V/1200A等級的IGBT，每個主變流器共有7個IGBT。二、IGBT在軌道牽引中的應用

以上兩種型號作為DC750V和DC1500V供電地鐵車輛應用的典型代表，根據(jù)上面的數(shù)據(jù)，按照單位線路所需要的車輛可以估算出我國城市軌道交通在“十一五”期間對大功率IGBT器件的需求大約為15萬個，估計總值10億元左右。預計“十二五”期間將會有更大的發(fā)展。二、IGBT在軌道牽引中的應用

需要說明的是，以上鐵路和城市軌道交通的統(tǒng)計僅僅針對“十一五”期間新制造的車輛，不包括后續(xù)車輛維修以及原有車輛的升級改造所需要的部分，因此對大功率IGBT器件的實際需求應該會更多。二、IGBT在軌道牽引中的應用

我國目前在軌道交通市場應用領域，商品化、規(guī)?；腎GBT制造廠家?guī)缀踹€處于初級發(fā)展階段，規(guī)模化的制造能力幾乎還未形成，整個IGBT市場全部由國外廠商占據(jù)，基于IGBT器件的電力電子裝置中的利潤大頭也就由國外廠商獲得。因此，如不盡快掌握IGBT器件的批量制造技術，在某些關鍵領域大批量應用的情況下，國外器件采購的煩瑣審批程序以及長周期、高價格勢必會嚴重阻礙我國電力電子裝置，特別是鐵路和城市軌道交通牽引動力設備的進一步發(fā)展。二、IGBT在軌道牽引中的應用

針對鐵路和城市軌道交通應用領域，開發(fā)高壓大電流IGBT器件，掌握高壓大電流IGBT器件總體設計技術、IGBT芯片及其配套用軟恢復二極管設計與制造技術、IGBT器件封裝與測試技術,以滿足各種牽引變流器和輔助變流器的應用需求，是非常必要的。二、IGBT在軌道牽引中的應用據(jù)統(tǒng)計，近幾年IGBT市場規(guī)模如圖

所示。2009年中國IGBT市場總體規(guī)模將達到36.8億元，較2008年增長12.3%。未來幾年隨著IGBT在節(jié)能、軌道交通、冶金等大型變頻技術應用領域的進一步擴大，中國IGBT市場將會繼續(xù)以較快的速度增長，有關統(tǒng)計部門預計到2011年中國市場IGBT產業(yè)規(guī)模達到60.2億元。中國軌道交通的發(fā)展IGBT在軌道交通中的應用

IGBT的研究與規(guī)?；圃霫GBT功率模塊配套技術的開發(fā)IGBT器件在中國軌道交通運輸中的應用三、IGBT的研究與規(guī)模化制造IGBT器件是電力電子器件發(fā)展過程中借鑒微電子工藝發(fā)展而來的，是大規(guī)模集成電路技術和功率器件制造技術相結合的產物，ABB、Infineon、三菱、東芝等正是通過制造傳統(tǒng)功率器件與大規(guī)模集成電路的雙重技術的有機融合，占領了這些功率開關器件的市場制高點。在我國，大功率器件與微電子器件屬于不同的行業(yè)，長期的條塊分割，關注不同的應用用途，缺乏交流與協(xié)作，迫切需要以市場項目調動各方合作的積極性，加速我國大功率電力電子元器件的開發(fā)步伐，加速規(guī)?；圃炷芰Φ奶嵘Ｈ?、IGBT的研究與規(guī)模化制造三、IGBT的研究與規(guī)模化制造西安電力電子研究所株洲時代電子永濟新時速國內IGBT器件的檢測能力嚴重不足，配置不盡合理。IGBT器件的靜態(tài)電特性參數(shù)測試、動態(tài)開關特性測試、熱與機械參數(shù)測試以及電耐久性試驗、穩(wěn)態(tài)濕熱