SiC功率半导体器件在铁路车辆上的应用

9SiC功率半导体器件在铁路车辆上的应用摘要:SiC功率半导体因其具备高温下高速运转的性能,所以被越来越多地应用于各种功率变换器。2012年,日本首次在铁路车辆上采用SiC器件。到2021年,日本的许多铁路车辆都已安装SiC功率变换装置。这些SiC功率变换装置不仅限于电机驱动,而且还用于辅助电源和PWM整流器。然而,日本海外的铁路车辆很少使用SiC器件。介绍日本国内外铁路车辆SiC功率半导体器件的应用情况。关键词:SiC;功率变换装置;铁路车辆UBX022)06-0019-06由于对铁路车辆节能的需求较大,所以采取了诸如车体及电气设备轻量化等多种措施。其中,最耗能的驱动系统自上世纪70年代起采用了电力电子技术,实现了大幅度节能。之后,驱动系统进一步发展,采用交流电动机驱动,到本世纪00年代,开始采用永磁同步电机,并开发了蓄电池及燃料电池等新技术。本世纪10年代,开始采用碳化硅(SiC)来制造功率半导体器件(以下称为SiC器件),这为降低功率变换装置本身的功耗及实现小型化提供了可能性。因此,不仅是驱动用功率变换装置,车内电源用功率变换装置(静止型辅助电源装置)也开始逐渐采用SiC器件。2016年发表的有关SiC器件多种应用的调查报告[1]中记载了2012年东京地铁银座线进行了世本开始在铁路车辆上大量采用SiC器件,到2021年,已进入普及应用阶段。而日本以外的很多厂家还处于开发阶段,所以有必要对SiC器件在铁路车辆上的应用情况进行调查。本调查报告汇总整理了截至2021年11月日本国内外铁路车辆采用SiC器件的现状及开发情况。1SiC器件1.1SiC半导体的特征由于功率半导体在高电压条件下进行开关,所以在关断时要具有耐高电压、切换速度快的特性,在导通时电阻要小。日本铁路车辆采用的功率半导体有二极管、晶闸管、GTO(门极可关断晶闸管)以及绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等,这些半导体器件均采用了硅(Si)材料。现在主流的IGBT利用精细的Si加工技术实现高速开关。对于铁路车辆驱动系统用的高耐压开关,由于要提升耐高电压性,所以势必要增加器件厚度,这样导通电阻就会变大,从而导致动作时产生的热量增加。另外,由于IGBT采用的是双极型晶体管结构,少数载流子的累积会制约开关速度。基于上述原因,铁路车辆用IGBT的切换频率只能达到几kHz,所以目前高速走行只能采用单脉冲模式(方波电压模式)。由于SiC的绝缘击穿电场强度是Si的10倍,因此可以减薄器件的厚度,从而降低导通电阻。而且,由于采用了不会导致载流子累积的MOSFET)(金氧半场效晶体管),所以可以提高开关速度。再加上SiC器件可在高温条件下工作,所以通过高密度封装可实现功率变换装置的小型化。1.2SiC模块半导体元件最小的物理单元是一种被称作芯片的薄片,一个芯片能通过的电流是有限的。另外,由于功率半导体需要散热,所以要将多个芯片集成在称为“模块”的封装中来使用,SiC模块有混合SiC模块和全SiC模块两种(图1)。图1SiC模块内的器件构成混合SiC模块是将原来的IGBT模块中的二极管换成了SiC器件(SiC肖特基二极管)。由于SiC肖特基二极管的反向恢复时间短(图2),所以有助于降低IGBT的关断损耗。图2关断时的反向恢复动作CSiCMOSFETSiC极管组合而成的,能够在高温条件下高速运转工作,且能降低导通电阻。铁路领域最先实用化的是SiC从2015年开始全SiC模块投入使用。现在铁路运营公司根据价格和性能等来选择模块。1.3SiC器件的设计及效果采用SiC器件最大的动机是家电等很多行业要实现高效化。但是,有人认为在铁路车辆上只将器件换成SiC对提高效率的作用不大[2]。而另一方面,又有很多报道称,基于SiC器件的高温工作特性可实现功率变换装置的小型轻量化,这几乎对所有铁路车辆都有益处。对于小型轻量化的实际效果,由于各文献记载的前提条件不同,所以很难在文献之间进行比较。为提高整个驱动系统效率,有些车辆也进行了如下设计。(1)扩大再生制动的适用范围利用SiC器件的高温工作特性,与IGBT模块相比,可提高有效电流值。将增加的部分用于再生制动(图3),可增加再生电能,相应地就削减了运行电能。在2012年进行的世界首次验证试验中,通过扩大再生制动的适用范围,可使使用电量比常规配置的耗电量降低14%[3]。其他许多文献也报道过实际节省的电能值,但由于装置的参数设定及列车的状况不同,再生电能是变动的,所以很难比较各文献得出的节能值。图3扩大再生制动的适用范围(2)增加牵引电动机的极数利用SiC器件的高速开关特性可增加原有牵引电动机(4极)的极数。增加极数可在同一转速下提高转矩。而且,由于极数增加端部变短,所以可缩短牵引电机的轴向长度[4]。此外,还对全SiC模块逆变器与8极永磁同步电机相组合的系统进行了走行试验[5]。采用SiC器件可实现功率变换装置的小型化,从而节省出空间。近几年,在车辆空间布局上大多利用节省的空间来搭载应急走行蓄电池[6]。就N700S新干线列车来说,由于功率变换装置小型化提高了装配的自由度,所以可将编组内的车辆种类由8种削减到4种,从而提高了车辆编组的自由度[7]。另外,通过采用SiC器件也能使燃料电池动车节省出客室空间[8]。预计,今后按客运需求可进行灵活编组的短编组列车将会增多;而且还会推出目前无法实现的单节独立运行的交流和交直流电力动车。此外,还积极利用SiC器件的耐高电压特性来研发用作主变压器的电力电子变压器[9],从而可实现交流电动车组驱动系统的小型轻量化。2SiC器件在日本铁路车辆上的应用情况日本一直在营运车辆上推广SiC器件的使用,所以对铁路运营公司SiC器件的普及应用及生产厂家的供货情况进行了调查,但试验车辆及装用试验不在调查范围之内。调查项目包括:运用车辆的型号、使用的模块种类、功率变换装置生产厂家以及装用SiC器件车辆开始营运的时间。为了确保调查结果的准确性,信息来源只限于铁路运营公司及厂家公开发布或者撰写的文献(包括网页)。对于来自于铁道爱好者编写的资料(例如发布在维基百科或发表于兴趣杂志上的投稿)会8000系搭载了SiC器件,但由于生产厂家资料及可靠性较高的维基百科上都未记载,所以判断为装用试验。当多个可信资料记载内容矛盾时,本次调查判定为采用SiC。另外,对搭载SiC器件车辆有微小改动的车辆不作为本次调查对象。对未明确记载投入营运时间的部分车型,根据车辆完工时间及文献发表的时间推测其投入营运的时间。2.1驱动用功率变换装置表1和表2列示出SiC器件在驱动用功率变换装置(VVVF逆变器、变流器和逆变器等驱动牵引电动机的功率变换装置)中的应用情况。到2021年,驱动用功率变换装置采用SiC器件的车型约有60种。从运营公司的普及应用情况来看,除JR四国以外的JR各大公司以及多数的大型私营铁路公司都有搭载SiC器件的车辆投入运营。SiC器件不仅用于直流电动车组,而且还扩展到交流电动车组、交直流电动车组、新干线电动车组、路面有轨电车和电传动内燃动车组等。从功率变换装置厂家的供货情况来看,有5个厂家交付了搭载SiC器件的功率变换装置。从提表1SiC器件在驱动用功率变换装置中的应用情况(日本铁路公司集团JR)铁路公司车辆型号投入营运的时间模块类型厂家JR北海道三菱JR东日本混合SiCGV-E400系混合SiC三菱混合SiC未知JR东海量产车混合SiC未知未知JR西日本三菱JR九州混合SiC三菱JR货运混合SiC三菱供的模块类型来看,东芝、三菱电机及日立制作所交付的驱动用功率变换装置都采用了自制的全SiC模块,富士电机也提供了自制的模块,但未查明是混合SiC模块还是全SiC模块。2.2辅助电源装置表3汇总了SiC器件在辅助电源装置中的应国8600系首次在辅助电源装置中采用了SiC器件。有关SiC器件用于辅助电源装置的文献很少,所以调查可能不够充分,目前只能确定搭载SiC辅助电源装置的车辆有20种左右。这次调查确认辅助电源装置没有使用全SiC模块。其原因不明,可能是因为辅助电源装置的电流比驱动用功率变换装置的电流小,并且连续工作,所以采用全SiC模块的优势不大。从厂家供货情况来看,三菱电机、东芝和东洋电机3家公司都交付了SiC辅助电源用功率变换装置。但结合驱动用功率变换装置的供货情况来看,有5家公司能生产辅助电源用功率变换装置。3SiC器件在海外的应用情况由于海外装用SiC器件的营运车辆很少,所以,对海外电气设备厂家开发功率变换装置的情况巴迪和阿尔斯通)参加了获资金资助的PINTA开发项目,所以可通过有关PINTA的信息了解海外厂家SiC器件的研发动向。此外,还对中国的研发表2SiC器件在驱动用功率变换装置中的应用情况(民营铁路)铁路公司车辆型号投入营运的时间模块类型厂家西武6000系更新车2015-05三菱2019-03三菱京成2017-12合SiC东洋2019-10合SiC东洋京王2017-09合SiC8000系更新车2015合SiC小田急新车2015-01三菱2020-03三菱8000型更新车2013合SiC三菱30000型更新车2017-03三菱2018-03三菱东急2018-03三菱相铁2018-02合SiC东京地铁2015-04合SiC东芝2019-02东芝05系更新车(北绫濑支线)2014-04合SiC三菱2021-02三菱2021-08未知9000系更新车2016-08未知东急新车2017未知三菱东京都交通局2018-06三菱未知未知2019-02合SiC横滨市交通局3000V型2017-04合SiC三菱新京成8800型更新车2016-02未知2019-12三菱筑波快线TX-3000系2020-03名铁2019-12合SiC东芝名古屋市交通局2000型更新车2013-03合SiC三菱福井铁路2013-03合SiC三菱越前铁路2013-02合SiC三菱近铁2020-03合SiC菱、南海2019合SiC未知京都市交通局2015-05合SiC未知神户市交通局2019-02合SiC7000-A系2016未知神户电铁2016-05三菱神户新交通2018-08合SiC三菱广岛电铁3900型更新车2017-02合SiC东洋西铁6050型更新车2016合SiC未知2016-03合SiC东芝注:除此之外,装用SiC器件的车辆还有维基百科上介绍的东京地铁13000系第22列编组之后交付的动车组、东急电铁3020系,以局N2000系。情况进行了调查,但只看到有关研究信息,没有发现SiC器件搭载在铁路车辆上进行试验的信息。表3SiC器件在辅助电源装置中的应用情况铁路公司车辆型号投入运营时间模块类型厂家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未知东武2017-07合SiC未知2017-04未知未知京王造车合SiC三菱西武2017-03合SiC未知东京地铁2013-06合SiC三菱2019-02合SiC未知合SiC未知05系更新车(北绫瀬支线)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未知近铁2020-03合SiC未知阪神2015-08合SiC未知神户市交通局2019-02合SiC未知广岛高速2020-03合SiC东洋西铁型∗2016-03合SiC东芝∗驱动用可切换成辅助电源用功率变换器公报》杂志及InnoTrans2018展会资料等为基础,调查了合同信息及车辆厂家计划采用SiC器件的资料等。调查时尽可能地选取铁路运营公司和电机厂家公布的信息,但由于信息较少,所以也利用了维基百科和新闻网站的信息。3.1SiC器件在营运车辆上的应用情况表4汇总了海外营运车辆装用SiC器件的情况。从表中可看出,很多都是由最早开发SiC器件的三菱电机提供的产品,或是直接订购日本车辆厂家制造的车辆。另一方面,ABB和庞巴迪公司生产的SiC辅助电源装置也已开始在营运车辆上装用。另外,有关伦敦地铁的订购信息[10]未记载车辆投入运营的具体时间。海外电气设备厂家之所以先研究辅助电源装置,是因为辅助电源装置的电流比驱动用功率变换装置的电流小,容易进行模块开发。3.2海外电气设备厂家的开发情况表5列示出海外电气设备厂家的开发情况。开发了铁路车辆驱动用SiC功率变换装置(PINTA不仅研发功率变换装置,还进行与铁路车辆驱动相关的噪声、EMC和黏着等许多方面的课题研究,表4SiC器件在海外铁路车辆上的应用情况铁路公司或线路车型投入运营的时间用途模块类型厂家乌克兰基辅地铁E-KM型E2016-07驱动合SiC三菱美国长岛铁路M9型2019-11∗驱动合SiC三菱美国马萨诸塞湾港湾局2019-08驱动合SiC三菱瑞士国铁RABe501型2019辅助电源ABB台湾的台中捷运中运量电动车组∗2020-11∗驱动合SiC三菱卡塔尔轨道多哈地铁—2019-05驱动合SiC新加坡汤姆森-东海岸线T251型∗计划2023∗驱动合SiC三菱英国伦敦地铁未知辅助电源未知庞巴迪∗维基百科的信息PINTA的研发费用总额约3000万欧元)。在PIN-TA项目中,由3家公司研发不同用途车辆的驱动用SiC功率变换装置:西门子负责路面有轨电车,CAF公司负责地铁通勤车,庞巴迪负责近郊电动车组;而阿尔斯通负责开发高速车辆用直驱电机。19年11月,进行了后续项目PIN-TA2[12]的开发,于2021年1月27日举行了项目总结会。最后阶段的PINTA3项目[13]从2020年12月起开始进行开发研究,计划于2023年5月结束。3个项目的研发时间有所重叠,其原因尚不清楚。从开发情况来看,庞巴迪早在2018年就将驱动用SiC功率变换装置安装在C20型通勤电动车组上,并在瑞典斯德哥尔摩地铁线上进行了营运验证试验[14](该试验与PINTA项目无关)。西门子于2020年8月至2021年2月期间在德国慕尼黑进行了路面有轨电车的装用验证试验[15],功率变换装置采用全SiC模块。这种模块的试验台试验报告中记载:样品器件为1.7kVSiCMOSFET,开关频率3kHz。CAF公司从2021年2月起在西班牙进行了为期2年的验证试验[16]。PINTA项目的总体目标是在PINTA3结束后的2024年将SiC功率变换装置投入市场。另外,虽然对验证试验及试验台试验所用的电路方式(2电平、3电平)进行了调查,但未能确认所采用的具体方式。3.3海外电气设备厂家的产品目录与工业用功率变换装置一样,海外铁路用功率变换装置大多由制造厂家决定产品型式并制作产品目录。西门子产品目录[17](发行年份不详)中有铁路用SiC功率变换装置,但未标明型号,由于用于电池充电器和车载变流器,所以认为属于辅助电源部件。波兰Medcom公司很早就开始采用SiC器件,在其2018年产品目录[18]中列出多款SiC功率变换装置,但大多用于路面有轨电车。Medcom公司产品目录中只有一种用于120kVA辅助电源的PSM-145SiC型,适用于直流1500V供电网压。据悉,札幌市交通局的除雪车采用了Medcom公司的SiC功率变换装置[19],但没有详细情况的介绍。除电气设备制造公司外,海外铁路车辆制造公司也在车辆上推广应用SiC器件。西门子公司计划2023年投入商业运营的新一代高速列车VelaroNovo[20]的辅助电源装置就采用了SiC器件,但没(CRRC)发布了装用SiC驱动用功率变换装置的地铁车辆的信息[21],但运用前景尚不明朗。这些信表5海外电气设备厂家开发SiC驱动用功率变换装置的情况研究阶段PINTAPINTA2PINTA3开发时间2016-09—2018-122018-09—2020-112020-12—2023-05资金总额∗(括号内为西门子(路面有轨电车用)对SiC混合模块功率变换装置进行实验室试验SiC模块)计划完成验证试验CAF(地铁通勤车用)开发SiC功率变换装置(只停留在设计阶段,未制造)在实验室对用于DC1.5kV的全SiC功率变换装置样机进行了试验。从2021年2月起在西班牙巴斯克铁路进行为期2年的营运验证试验计划完成验证试验庞巴迪(近郊动车组用)无信息NTA月—2018年5月,装用营运通勤车在瑞典斯德哥尔摩进行了验证试验(所用模块未知)将功率变换装置(所用模块未知)样机与变压器、功率变换器、电机及齿轮装置组装在一起进行试验计划在试验线上进行示范走行∗PINTA各阶段项目的资金总额,并未全部投入SiC功率变换装置的开发。)息主要来自于InnoTrans2018展会,此后,受新冠疫情影响,开发工作