SiC 功率器件在电力牵引系统的应用研究

关国华

（中车永济电机有限公司，陕西西安 710018）

0 引言

作为最具可持续性的交通运输模式，轨道交通是国民经济大动脉、大众化交通工具和现代城市运输的骨架，是国家关键基础设施和重要基础产业，对我国经济社会发展、民生改善和国家安全起着不可替代的全局性支撑作用。

机车牵引电传动技术主要实现对列车的牵引和制动控制，是轨道交通机车车辆技术的重要组成部分，也是一个国家铁路技术水平的重要标志。纵观历史，电力电子器件在牵引电传动技术的发展中起到了重要作用，特别是 20 世纪 80 年代以来，随着新一代全控型器件 IGBT的发展和应用，交流传动系统的性能和可靠性得到了极大提升，基于大功率 IGBT 器件的交流电传动系统已经广泛应用于轨道交通行业。

交流传动系统具有优异的运行性能和显著的节能效果，采用该技术的大功率电力机车、高速动车组已经开始在铁路牵引运输中承担主要任务，是目前高速客运和重载货运发展的基础。随着国民经济的快速发展，铁路运输对于单机牵引功率、运行速度的要求越来越高。在大功率牵引电传动系统前瞻性技术创新工作中，采用世界先进技术、先进产品以满足铁路发展的新要求是当前最为迫切的任务。

1 交流电传动系统构成

图 1 为某大功率 8 轴电力机车交流传动系统的主电路原理图，主要由受电弓（包括高压电气设备）、牵引变压器、变流器（包括牵引变流器和辅助变流器）、牵引电机以及齿轮传动系统等组成。整台机车采用轴控驱动模式，单轴驱动功率 1  200  kW。每台机车具有 4 个结构和原理相同的牵引变流柜、2 个结构和原理相同的辅助变流柜。每个牵引变流柜包含 2 个牵引四象限功率模块、2 个牵引四象限斩波功率模块、2 个牵引逆变功率模块。每个辅助变流柜包括 2 个降压斩波模块、2 个过压抑制模块、2 个辅助逆变模块、1 个充电机模块和 1 个二极管模块。

机车在牵引工况时，受电弓将接触网 AC25kV 单相工频交流电经过受电弓、高压电器传输给牵引变压器，牵引变压器降压输出单相交流电供给牵引变流器，牵引变流器通过四象限功率模块、中间环节、牵引逆变功率模块实现电能的交-直-交变换，输出电压、频率可调的三相交流电驱动牵引电机，牵引电机的转矩和转速通过齿轮变速箱传递给轮对，驱动列车运行，从而实现电能到机械能的转换。机车在再生制动工况时，控制牵引逆变功率模块使牵引电机处于发电状态，牵引变流器工作于能量回馈状态，牵引电机发出的三相交流电被牵引变流器通过 AC-DC-AC（交-直-交）变换输出单相交流电，该交流电通过牵引变压器、高压电器、受电弓等高压设备反馈给接触网，从而实现机械能到电能的转换。辅助变流器从中间直流回路取电，经降压斩波模块、过压抑制模块、三相逆变模块、充电模块、二极管模块等功率电路变换后，为列车的辅助系统负载供电（图 2）。

图1 主电路原理图

图2 辅助电路原理图

2 开关器件功率损耗分析

功率模块是由功率半导体器件及其散热单元、驱动单元、主电路连线等构成的模块化装置，目前常采用以硅（Si）为主要材料的 IGBT 器件。IGBT 不是一个理想开关，在变流器的工作过程中，每一个开关状态都会产生一定的损耗，单个 IGBT 模块的损耗主要源于内部 IGBT 和续流二极管（FWD）的损耗。一般来说，IGBT 的功率损耗主要包括通态损耗和开关损耗，续流二极管的损耗主要包含通态损耗和反向恢复损耗，这些损耗的总和就是开关器件的总损耗，是器件温升的热量来源，也决定了功率模块散热器的设计选型。因此，功率半导体器件的性能在很大程度上决定了功率模块的体积和重量，是决定电传动系统性能、可靠性和成本的关键因素。

随着牵引电传动技术及应用的不断发展，对电力电子器件的性能及可靠性要求日益严苛，依靠硅基半导体器件性能的继续完善来提高电力牵引系统性能的潜力已经十分有限[1-3]。以碳化硅（SiC）为代表的第 3 代半导体器件与传统硅基功率器件相比，具有宽禁带、高饱和速度、高导热性和高击穿电场[4-5]等优点，如图 3 所示。它具有硅基功率器件无可比拟的电气性能，接近人们对“理想器件”的追求，更适合大功率机车牵引电传动系统的应用场合。

图3 常用半导体材料主要物理特性对比

3 SiC 功率器件在牵引电传动系统的应用研究

随着材料和器件工艺以及封装问题的解决，宽禁带功率半导体器件正逐渐走向实用化，并掀起新一轮的研究应用热潮。下面针对采用不同电压等级开关器件的交流传动系统的应用场合，将传统硅基功率器件采用 SiC功率器件替代后，进行系统特性的仿真和试验研究。

反向恢复是续流二极管的固有特性，发生在由正向导通转为反向阻断的瞬间，表现为通过反向电流后再恢复为反向阻断状态。图 4 为采用 3  300  V 等级混合 SiC功率器件替代传统硅基 IGBT，功率模块功耗的仿真结果。图 4a 为二极管反向恢复损耗的仿真结果，可以看出混合 SiC-IGBT 的反向恢复损耗基本可以忽略不计，远远小于传统 IGBT 的损耗。图 4b 为功率器件总损耗的仿真结果，可以看出总的损耗降低了大约 30%。

图 5 为采用 1  700  V 等级混合 SiC 功率器件替代传统硅基 IGBT 功率器件，功率模块的性能对比结果。由图 5 可以看出，由于只是续流二极管采用了 SiC材料，半导体器件的安装面积没有变化。但由于 SiC 二极管基本工作在单极型状态，反向恢复电荷量基本为零，二极管反向恢复引起的自身瞬态损耗降低了 98%，功率器件总的开关损耗则降低了 32%。

图4 3 300 V 等级混合 SiC 功率器件对比结果

图5 1 700 V 等级混合 SiC 功率器件对比结果

图6 3 300 V 等级全 SiC 功率器件对比结果

图 6 为采用 3  300  V 等级全 SiC 功率器件对等替代传统硅基 IGBT 功率器件，某机车牵引电传动系统的试验对比分析结果。由图 6 可以看出，采用 SiC 功率器件后，输入电流谐波从 10.41% 降到 5.84%，输出电流谐波从 33.47% 降到 9.94%，验证了 SiC 功率器件在提升系统效率方面的优势。中间支撑电容值从 9  mF 降低到4.5  mF，大大减小了支撑电容的体积和重量。功率模块体积的改善，将使变流器整体的体积减小、重量减轻，变得易于安装维护。

图 7 为采用 1  700  V 等级全 SiC 功率器件对等替代传统硅基 IGBT 功率器件，某辅助变流器的试验对比分析结果。由图 7 可以看出，采用 SiC 功率器件后，功率器件的开关损耗降低约 84%，变流器体积降低27%，重量降低约 38%，系统谐波含量也有所改善，系统性能的提升幅度较为可观。

由以上仿真和试验对比结果可以明显看出，采用SiC 功率器件替代传统硅基功率器件将给系统带来以下方面的性能提升。

（1）体积和重量的改善，提高系统整体性能。SiC功率器件开关损耗大幅降低，功率模块发热量减少，将降低器件对功率模块散热器的要求以及对整个变流器冷却系统的要求，带来体积和重量的减少；功率器件可以在更高频率下切换，将降低电路中变压器、电容、电抗器等无源元件的体积和重量。而变流器总体体积和重量的改善，将有利于车辆的重量管理及设备布置，提高车辆的整体性能。

（2）系统谐波的改善，提升系统效率。与采用硅基功率器件的变流器相比，SiC 功率器件功耗的降低以及开关频率的提高，将带来系统谐波电流的减小，从而减少对电网的谐波干扰，提高系统效率。机车也可以在更宽的速度范围内实施电制动，向电网回馈更多的电制动能量。

4 结论

电力电子器件与牵引电传动技术的发展密切相关，随着轨道交通交流电传动技术的发展，对电力电子器件在大容量、高功率密度、高频化、集成化等方面提出了新的要求，现有硅基 IGBT 功率器件由于其物理特性的制约，越来越难以满足当前的应用需求。以碳化硅（SiC）为主的第 3 代半导体器件在耐压等级、工作温度、开关损耗等方面具有显著的优势，符合轨道交通大容量、轻量化、节能型高效变流装置的应用需求，能够有效地改善电力传动装置的性能，提升系统的整体效能，所以在轨道交通领域具有极大的应用潜力。

图7 1 700 V 等级全 SiC 功率半导体器件对比结果