城轨车辆SiC辅助变流器研究综述

夏猛，罗情平，陈萍，韩凤喜



城轨车辆SiC辅助变流器研究综述

夏猛1*，罗情平2，陈萍2，韩凤喜2

（1.中车青岛四方车辆研究所有限公司，山东青岛，266109；2.青岛地铁集团有限公司，山东青岛，266000）

近些年随着我国城轨交通的迅猛发展，城轨车辆的高效率与轻量化要求日益提高，作为辅助供电系统中的重要一部分，辅助变流器的拓扑方案及其采用的器件在很大程度上决定了该设备的功率密度和效率。本文通过对既有的城轨车辆辅助变流器常用拓扑方案的总结和分析，结合SiC器件的特点和优势，以及目前SiC功率器件的发展现状，对采用SiC器件的辅助变流器进行了拓扑设计，且该设计为不同供电电压提供了具体的拓扑设计方案，为城轨车辆SiC辅助变流器的设计提供了参考。

城轨车辆；SiC器件；辅助变流器；拓扑

引言

近年来，轨道交通发展迅速，城轨车辆作为一种无污染的环保交通工具，在各大城市的应用率也在逐步提高。辅助供电系统是城轨车辆中的关键技术装备之一，而辅助变流器则是辅助供电系统中的重要组成部件。有轨电车车载辅助变流器负责将1500V或750V直流电逆变为三相380 V/50 Hz和单相220 V/50 Hz交流电，提供给车辆上的空气压缩机、空调、电热器等设备，以及牵引逆变器、制动电阻、电抗器的冷却风机等。同时供电网络输出110 V直流电，供给蓄电池充电和车辆控制系统[1-5]。

辅助变流器直接从供电电网取电，具有直流输入电压高、输入电压波动范围大、输出电压和频率稳定、输出电压谐波含量低等特点。随着新型电力电子器件的发展，辅助变流器系统也在向高效率和高功率密度的方向发展。

随着SiC技术的发展，SiC器件的高开关速度，耐高温特性和低损耗的优良特性，可显著提高变换器的开关频率，降低无源器件体积和重量，优化系统散热设计，对变换器的效率和功率密度的提升均有较大帮助。

本文针对城轨车辆辅助变流器对高效率和高功率密度的需求，总结了目前城轨车辆中常见的拓扑结构，结合SiC器件的技术特点和发展现状，对SiC器件应用在城轨车辆辅助变流器中的技术前景进行了总结，提出了城轨车辆SiC辅助变流器方案，并对其优势进行了介绍。

1 辅助变流器拓扑

目前，城轨车辆使用的辅助逆变器有单逆变器和双逆变器两种形式。双逆变器形式的开关频率低，开关损耗小，转换效率高，输出电压为12阶梯波，波形更接近于正弦，谐波含量少。但是双逆变器形式需要用到的功率开关器件多，2台逆变器串联会产生均压，变压器结构复杂，故障率比单逆变器形式要高，因此实际应用中很少采用这种形式。以下主要讨论单逆变器形式的几种常用拓扑结构。

1.1 两电平工频隔离变压器方案

在此方案中，显著特点是电路拓扑中采用的变压器是三相工频变压器，开关电路采用两电平电路结构，其基本结构如图1所示。供电网经过一级滤波环节，直接与逆变器相连，输出三相交流电压，通过工频变压器隔离、降压，最后输出三相交流电。这是多数城轨车辆采用的电路结构，如天津滨海线，长客生产的部分车辆等。

图1 两电平工频隔离变压器方案拓扑图

该方案的优点是逆变器结构和控制较为简单，变压器没有偏磁问题，还可以设计不同的变压器匝数比来满足不同的电压值需要。但也存在不足之处：工频隔离变压器的质量和体积偏大，随着输入侧网压增加，开关管的耐压等级需要相应提高。

1.2 三电平工频隔离变压器方案

此方案是将前一种电路拓扑中的两电平电路结构改成了三电平电路结构，其基本结构如图2所示。该方案的优点是：①输出电压波形是12 阶梯波，因此谐波含量较低，对滤波要求较低；②可以采用低电压等级的IGBT。沈阳地铁1号线所使用辅助逆变器即采用三电平逆变器。但三电平逆变器也存在一些不足，主要体现在：①使用器件多，不仅IGBT数量比二电平单逆变器多一倍，而且还多了2个箝位二极管；②因使用的电力电子器件多，控制更复杂，器件多则故障概率高，维护和维修费用高。

图2 三电平工频隔离变压器方案拓扑图

1.3 高频隔离变压器方案

在传统的辅助逆变器中，其系统结构为：直流高压输入→输入滤波→逆变器→输出滤波器→输出变压器→AC 380 V输出，其中输出变压器工作频率为工频50 Hz，因此其体积与质量较大，从而使得整个辅助逆变器体积大、重量重。因此，高频隔离变压器方案可以将原有的工频变压器替换为高频变压器，大附件降低变压器的体积和重量，提高系统功率密度，但也带了高开关频率下的高损耗问题，因此，高频隔离方案一般采用软开关技术。目前高频隔离变压器方案中，主要有2种软开关方式，分别是移相全桥软开关技术和LLC谐振技术。

（1）移相全桥软开关技术

该系统拓扑结构（如图3）为直流高压输入→输入滤波→高频变换逆变器→高频隔离变压器→整流桥→滤波电路→三相逆变器→输出正弦滤波器→AC 380 V输出。

该系统中高频变换逆变器的开关频率越高，高频变压器体积和重量越小，但开关损耗亦增加，降低了系统效率。为此，在方案中可以通过实现功率器件的零电压开通和准零压关断，克服硬开关模式的固有缺陷，降低损耗，提高效率。目前，该方案已在上海轨道交通 1、2号线，广州地铁一号线等线路中得以应用。

图3 高频隔离变压器方案一拓扑图

（2）LLC谐振软开关技术

此方案中，需要在开关管和负载的回路上增加谐振电感L、谐振电容C，变压器漏感L，如图4所示。利用交流电路发生LC谐振时，电压、电流会有过零点的原理，通过选择合适的电感电容值，调整电路的谐振频率来匹配开关频率，实现零电压开通/关断。目前该电路已应用在上海地铁16号线、宁波地铁1号线等。

图4 高频隔离变压器方案二拓扑图

目前随着变换器高频化轻量化的趋势，以及新型电力电子器件的发展，高频隔离变压器方案愈加受到人们的广泛应用

2 SiC器件特点及发展现状

SiC器件是近年来兴起的新型电力电子器件，目前已在中低压领域得到广泛的应用，由于生产工艺的限制，在高压领域还存在非常大的发展应用前景[6]。

2.1 SiC材料优势

以SiC为代表的宽禁带功率半导体器件与传统Si基功率半导体器件相比较，其材料特性主要表现在：宽能带、高饱和速度、高导热性和高击穿电场等方面。下表列出了SiC材料与Si材料一些重要物理特性的对比。

表2 SiC材料与Si材料物理特性对比

从表中可以看出，SiC材料具有以下特点：

（1）热导率高，工作温度可以达到600℃，而硅器件的最大工作温度仅为150ºC，从而器件的冷却系统可大为简化，其中4H-SiC为4.9W／cm·℃，优势更加明显，其热导率远远高于大多数半导体，室温时几乎高于所有金属；

（2）电子饱和漂移速度高，适于微波频段工作；

（3）击穿电场高，能够实现高工作电压；

（4）禁带宽度宽，本征载流子浓度低，4H—SiC为8.2X10-9／cm3，便于管芯隔离；

（5）抗辐照能力比Si强1—2个数量级，另外开关损耗低1—2个数量级；

（6）莫氏硬度高达9级，仅次于金刚石，便于器件工艺流片和实施高密度大功率集成。

其中，SiC电力电子器件的重要优势在于其具有高压(达数万伏)高温(大于500℃)特性，突破了硅基功率半导体器件电压(数kV)和温度(小于150℃)限制所导致的严重系统局限性。

2.2 SiC器件发展现状

随着碳化硅材料技术的进步，各种碳化硅功率器件被研发出来，由于受成本、产量以及可靠性的影响，碳化硅功率器件率先在低压领域实现了产业化，目前的商业产品电压等级在60-1700V。随着技术的进步，高压碳化硅器件已经问世，并持续在替代传统硅器件的道路上取得进步。目前，市场上较为常见的碳化硅功率器件主要包括功率二极管、MOSFET器件、IGBT以及晶闸管。生产厂家主要集中在国外，包括Cree、Infineon、Rohm、赛米控、富士、东芝等公司，而国内的发展相对滞后，目前，国内只有泰科天润半导体科技(北京)有限公司实现了SiC功率器件量产，但一些研究室和科研院所如中国电科院、中国中车株洲所、中国科学院、西安电子科技大学、中电科技集团13所和55所、清华大学和国网智能电网研究院等也正在开展相关的碳化硅研制工作，并有小批量的产品面世。

2.3 SiC器件在城轨车辆辅助变流器中的应用前景

从第一节关于辅助变流器内容的介绍，我们可以知道辅助变流器对功率器件的耐压和功率等级要求不高，而目前量产的SiC器件正符合该系统的应用需求，如Cree公司的1700V/225A的SiC MOSFET模块（型号为CAS30017BM2），其单次开关能量E和E分别为10 mJ和13 mJ，约为同等级Si IGBT的E和E的1/10，对系统效率的提升非常明显。

而在系统拓扑的选择方面，为充分发挥SiC器件的高频性能优势，建议采用高频隔离变压器方案，结合文中介绍的两种软开关技术，可以将系统中高频变换逆变器的开关频率提高至几十kHz，大大降低高频变压器的体积和重量，同时不会对系统的效率造成较大的影响，系统依然能够满足技术指标要求。

由于城轨车辆辅助变流器供电制式有750V和1500V两种，而目前SiC MOSFET量产产品最高电压为1700V，因此面对不同的供电制式，需要对高频隔离变压器方案电路进行一定的修改。当供电电压为750V时，那么可以直接采用文中所示的两电平电路结构，1700V的SiC MOSFET就可以满足系统的耐压要求；当供电电压为1500V时，前端的高频DC/DC变换器是不能采用两电平结构的，因此，为了能够应用1700V的SiC器件，可以将前端的高频DC/DC变换器改为三电平电路结构或者输入串联输出并联变换器，这样做会相应地增加功率器件的数量以及控制策略的复杂性，但这样才能使SiC器件满足系统耐压要求。

3 结束语

本文总结和分析了城轨车辆中几种常见的辅助变流器拓扑方案，结合SiC器件的特点优势与发展现状，给出了城轨车辆SiC辅助变流器电路拓扑的方案选择，同时，根据辅助变流器供电制式的不同，提出了不同的采用SiC器件的高频隔离变压器方案，使得器件能够满足系统的耐压要求，为城轨车辆SiC辅助变流器提供了清晰的设计方案。

[1] 王鑫, 赵清良, 曾明高, 等. 北京地铁国产列车辅助电源系统及其改进[J]. 机车车辆工艺, 2007, (2): 26-29.

[2] 康亚庆. 地铁车辆辅助系统两种供电网络的分析[J]. 现代城市轨道交通, 2009, (4): 27-31.

[3] 肖彦君, 吴茂杉. 城轨列车辅助供电系统的技术要求和电路选型[J]. 现代城市轨道交通, 2004, (4): 24-27.

[4] 张琳. 浅析城市轨道交通车辆用辅助电源系统[J]. 科技资讯, 2007, (22): 61-62.

[5] 龚文斌, 张卫东. Alstom 地铁列车中压辅助供电形式的性能比较及优化[J]. 仪表技术, 2011, (1): 57-64.

[6] 王莉, 朱萍. 新型宽带SiC功率器件在电力电子中的应用[J]. 南京航空航天大学学报, 2014, 46(4): 524-532.

A Review of SiC Auxiliary Converters for Urban Rail Vehicles

XIA Meng1*, LUO Qingping2, CHEN Ping2, HAN Fengxi2

（1.CRRC Qingdao Sifang Rolling Stock Research Institute Co.,Ltd., Shandong Qingdao, 266109, China；2.Qingdao Metro Group Co. Ltd., Shandong Qingdao, 266000, China）

In recent years, with the rapid development of urban rail traffic in our country, lightweight and high efficiency requirements of the urban rail vehicles are increasing. As an important part of the auxiliary power supply system, the auxiliary converter topology and the used device determine the power density and efficiency to a great extent. In this paper, through the analysis and summary of the existing urban rail vehicle auxiliary converter common topology schemes, combined with the characteristics and advantages of the SiC devices, as well as the current development status of the SiC power devices, the topology of the auxiliary converter based on SiC devices is designed, and the design provides specific topology design schemes for different power supply voltages, provides a reference for the design of the urban rail vehicle SiC auxiliary converters.

Urban rail vehicle; SiC device; auxiliary converter; topology

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.08.025

TM922

A

1672-9129(2017)08-0057-03

夏猛, 罗情平, 陈萍, 等. 城轨车辆SiC辅助变流器研究综述[J]. 数码设计, 2017, 6(8): 57-58.

XIA Meng, LUO Qingping, CHEN Ping, et al. A Review of SiC Auxiliary Converters for Urban Rail Vehicles[J]. Peak Data Science, 2017, 6(8): 57-58.

2017-03-13；

2017-04-15。

夏猛（1985-），男，汉族，山东省德州市，工程师，电力电子及电力传动方向。E-mail:2209282216@qq.com