电力电子器件在轨道交通车辆牵引中的应用

电力电子器件在轨道交通车辆牵引中的应用

徐丽丽

湖南铁道职业技术学院 湖南株洲 412000

摘要：随着城市的不断发展,城市地铁交通也得到了快速发展,尤其是近几年我国城市扩容日新月异,城市空间不断扩展,地铁交通发展也要紧跟城市发展步伐。在现代化轨道交通使用的车辆,需要使用牵引技术才能够保证其平稳运行，地铁车辆牵引系统作为地铁车辆的重要组成部分，文章主要分析了电力电子器件的发展、电力电子器件的分类及其基本特点及在轨道交通车辆牵引中的应用。

关键词：电力电子器件；轨道交通；车辆牵引系统；应用发展

一、电力电子器件的发展

自1957年美国的通用电气(General Electric)公司生成的第一个晶闸管,出现这种技术是电力电子技术的诞生。从此以后，电子技术向两个方向发展。一个方向是一种微电子技术，它以集成晶体管电路为核心对形成信息进行处理的。另一个方向是对电力处理的电力电子技术，主要是以晶闸管为核心，其中晶闸管的派生器件的发展特点是种类越来越多，功率和性能越来越高。

传统的电力电子设备已经发展到一个非常成熟的阶段，但在实践中有两个致命的因素制约着它们的持续发展。第一，控制功能缺乏，因为通过门极只能控制它的通电状态，而不能控制它的断电状态，属于半控型器件。其次，该器件采用分立元件结构，开关损耗大，很难提高工作频率，一般难以超过400Hz，应用范围受到很大限制。所以，半控制器件的发展停滞不前。

在20世纪70年代末，截流技术的晶闸管（GTO）器件的生产技术逐渐成熟，这表明电力电子器件已经从半控制器件发展到全控制器件方向发展。

进入80年代后，随着GTO器件的发展和成熟，MOS器件的开发利用真正开始了。绝缘栅双极型晶体管（IGBT）占主导地位。迄今为止，电力电子设备已经从电流控制发展到电压控制型器件。在90年代，随着科技的发展，电力电子型器件向智能化和模块化方向发展，试图将具有驱动电路，保护电路，传感电路等的电力设备集成到芯片或模块中，从而使设备更加紧凑和智能。其中IPM就是其中最典型的一种。IGCT器件同时具备IGBT器件的开关特性和GTO器件的导通特性，并且制造成本比两者比较都相对低，并且可以获得与GTO晶闸管相同的输出。IGCT器件在更多工业和牵引领域发挥作用。总的来说，电力电子器件的开发经历了从半控制到完全控制，从电流控制到电压控制，从单个组件到模块化再到智能化的整个开发过程。

2. 电力电子器件的分类及其基本特点

随着电力电子技术的快速发展，其根本就是电力电子器件的迅速更新，电力电子器件品种繁多,因此有数种分类方法。通常按开关控制性能分为:

1. 不控型器件:这是无控制端口的二端器件,如功率二极管,不具备可控开关性能。

2. 半控型器件:这是有控制端口的三端器件,但其控制端在器件导通后即失去控制能力，即无关断能力,为了关断器件必须借助外部条件。晶闸管及其大部分派生器件均属这一类。

3. 全控型器件:这也是有控制端口的三端器件,但其控制端具有控制器件导通和关断的双重功能,故称自关断器件。如GTO、GTR.IGBT等器件均属这一类。

电力电子器件特别是全控型器件为了掌握其较多的性能往往还根据器件内部载流子参与导电的种数不同来分类只有一种载流子即只有多数载流子参与导电的电力半导体器件称单极型器件如电力场控晶体管功率(MOSFET)。静电感应晶体管(S1)等有空穴和电子两种载流子参与导电的电力半导体器件称双极型器件如GTO、GTR、SITH等第三种称复合型器件这是一种单极型件与双极型器件的复合集成器件如绝缘栅双极晶体管(IGBT)是用单极型的MOSFET1作为控制器件双极型的GTR作为主导器件的复合管。

不同类型的电力电子器件具有不同的性能双极型器件晶闸管GTO、GTR、STH等，它们的通态压降较低阻断电压高电流容量大适用于中大容量的变流设备，如其中品闸管用在我国早期的干线电力机车上，而格托和伊格布特用于我国新型电力传动轨道车辆和高速动车组上其电压和电流的定额都高达10级。

目前已开发的器件有：肖特基注入MOS门极晶体管(SINFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、MOS控制晶体管(MGT)、MOS控制晶闸管(MCT或MCTH)以及功率集成电路(PIC)和智能型功率集成电路(SPIC)、智能型功率模块(IPM)等，为了进一步了解各类电力电子器件的家族关系，如图1-1所示。

图1-1电力电子器件的家族关系“树”

2. 轨道车辆牵引领域电力电子器件的应用

电力在人类的生产和生活中起着重要的作用，其应用几乎覆盖了生产和生活的每个角落：工业，交通运输，军事，先进技术，医疗保健等。据统计，2010年，电力的使用率达到80％将电能转化为实际工作。我们需要随时更改电能类型（交流，直流），并使电压和电流的大小适应不同环境的需求。电力电子技术旨在实现将各种能源高效转换为高质量电能的目标。它是节能，环保和改善生活质量的重要手段。它介于低压控制和强电流操作之间，又介于信息技术和先进的生产技术之间。传统工业实现自动化，智能，节能和机电一体化的桥梁。电力电子器件的发展也促进了铁路车辆牵引的发展。

1.电力电子器件在轨道车辆牵引中的应用发展

在20世纪80年代前期，在铁路车辆牵引领域，电力电子器件主要用于整流器和斩波器以及直流驱动系统中的辅助驱动系统。电力电子器件主要是晶闸管。进入80年代后期，随着交流驱动技术的成熟，电力电子器件有了新的应用。它们在牵引领域的应用主要包括：整流器，斩波器，电制动器，变频器和辅助系统驱动器。在此期间，用于这些应用的电力电子器件主要是晶闸管和GTO。进入90年代后期，交流传动已得到广泛推广，并应用于电力机车，内燃机车和动车组，为电力电子器件在铁路车辆牵引领域中提供了更广阔的应用前景。在此期间，其在牵引领域的应用主要变为牵引变流器，使用的主要电气器件为GTO和IGBT。

2.IGBT在轨道车辆牵引变流器的应用

由于IGBT器件属电压驱动的全控型开关器件，脉冲开关频率高，性能好，损耗小，且自保护能力也强。为此，目前世界上无论是干线铁路还是城市轨道的电动车辆的电气系统中均采用IGBT模块来构成。

随着IGBT性能的迅速发展，IGBT模块的电压等级和电流容量在不断提高，从1991年生产出了小型IGBT模块，其电压等级为1200V/300A，很快取代了在工业上通用变频器中所用的双极型晶体管;1993年出现了1700V/300A的IGBT，并已开始在城市电车上获得推广应用;到2000年后更出现了1700V/2400A,3300V/1200A和6500V/600A的高压IGBT，这些高压HVIGBT很快地应用到铁道与城市地铁轻轨车辆中，由于其性能优越，加之其为绝缘型模块，整机的结构设计紧凑轻巧，且采用了低感母线技术与软门极的驱动技术并解决了热循环的寿命问题，目前，HVIGBT模块已成为轨道电力牵引系统中应用的主导元件。

随着城市发展，城轨交通供电网压制也从早期的600VDC和750VDC发展为1500VDC网压制，以适应大城市大客流量发展的需要。网压的提高对电力电子器件的电压等级提出了更高的要求，IGBT模块的电压等级也从1200V发展到L700V,3300V以及4500V和6500V电压等级水平。

结束语：

综上所述，本文主要分析了电力电子器件在轨道交通车辆牵引中的应用，阐述了电力电子器件的发展，分类及特点和轨道车辆牵引领域电力电子器件的应用，电力电子器件的升级推动了电子技术的迅速发展，为轨道车辆牵引领域提供技术支持。能够有效缓解城市交通压力，为人们创造便利的出行环境。

参考文献

1. 刘浩源.轨道交通车辆牵引技术研究[J].工程技术研究,2019,(第5期).

2. 朱传斌.电力电子器件在轨道交通车辆牵引中的应用[J].建筑工程技术与设计,2020,(第26期).