城軌車輛SiC輔助變流器研究綜述

夏猛，羅情平，陳萍，韓鳳喜

?

城軌車輛SiC輔助變流器研究綜述

夏猛1*，羅情平2，陳萍2，韓鳳喜2

（1.中車青島四方車輛研究所有限公司，山東青島，266109；2.青島地鐵集團(tuán)有限公司，山東青島，266000）

近些年隨著我國(guó)城軌交通的迅猛發(fā)展，城軌車輛的高效率與輕量化要求日益提高，作為輔助供電系統(tǒng)中的重要一部分，輔助變流器的拓?fù)浞桨讣捌洳捎玫钠骷诤艽蟪潭壬蠜Q定了該設(shè)備的功率密度和效率。本文通過(guò)對(duì)既有的城軌車輛輔助變流器常用拓?fù)浞桨傅目偨Y(jié)和分析，結(jié)合SiC器件的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，以及目前SiC功率器件的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)采用SiC器件的輔助變流器進(jìn)行了拓?fù)湓O(shè)計(jì)，且該設(shè)計(jì)為不同供電電壓提供了具體的拓?fù)湓O(shè)計(jì)方案，為城軌車輛SiC輔助變流器的設(shè)計(jì)提供了參考。

城軌車輛；SiC器件；輔助變流器；拓?fù)?/p>

引言

近年來(lái)，軌道交通發(fā)展迅速，城軌車輛作為一種無(wú)污染的環(huán)保交通工具，在各大城市的應(yīng)用率也在逐步提高。輔助供電系統(tǒng)是城軌車輛中的關(guān)鍵技術(shù)裝備之一，而輔助變流器則是輔助供電系統(tǒng)中的重要組成部件。有軌電車車載輔助變流器負(fù)責(zé)將1500V或750V直流電逆變?yōu)槿?80 V/50 Hz和單相220 V/50 Hz交流電，提供給車輛上的空氣壓縮機(jī)、空調(diào)、電熱器等設(shè)備，以及牽引逆變器、制動(dòng)電阻、電抗器的冷卻風(fēng)機(jī)等。同時(shí)供電網(wǎng)絡(luò)輸出110 V直流電，供給蓄電池充電和車輛控制系統(tǒng)[1-5]。

輔助變流器直接從供電電網(wǎng)取電，具有直流輸入電壓高、輸入電壓波動(dòng)范圍大、輸出電壓和頻率穩(wěn)定、輸出電壓諧波含量低等特點(diǎn)。隨著新型電力電子器件的發(fā)展，輔助變流器系統(tǒng)也在向高效率和高功率密度的方向發(fā)展。

隨著SiC技術(shù)的發(fā)展，SiC器件的高開關(guān)速度，耐高溫特性和低損耗的優(yōu)良特性，可顯著提高變換器的開關(guān)頻率，降低無(wú)源器件體積和重量，優(yōu)化系統(tǒng)散熱設(shè)計(jì)，對(duì)變換器的效率和功率密度的提升均有較大幫助。

本文針對(duì)城軌車輛輔助變流器對(duì)高效率和高功率密度的需求，總結(jié)了目前城軌車輛中常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，結(jié)合SiC器件的技術(shù)特點(diǎn)和發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)SiC器件應(yīng)用在城軌車輛輔助變流器中的技術(shù)前景進(jìn)行了總結(jié)，提出了城軌車輛SiC輔助變流器方案，并對(duì)其優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了介紹。

1 輔助變流器拓?fù)?/h2>

目前，城軌車輛使用的輔助逆變器有單逆變器和雙逆變器兩種形式。雙逆變器形式的開關(guān)頻率低，開關(guān)損耗小，轉(zhuǎn)換效率高，輸出電壓為12階梯波，波形更接近于正弦，諧波含量少。但是雙逆變器形式需要用到的功率開關(guān)器件多，2臺(tái)逆變器串聯(lián)會(huì)產(chǎn)生均壓，變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障率比單逆變器形式要高，因此實(shí)際應(yīng)用中很少采用這種形式。以下主要討論單逆變器形式的幾種常用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

1.1 兩電平工頻隔離變壓器方案

在此方案中，顯著特點(diǎn)是電路拓?fù)渲胁捎玫淖儔浩魇侨喙ゎl變壓器，開關(guān)電路采用兩電平電路結(jié)構(gòu)，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。供電網(wǎng)經(jīng)過(guò)一級(jí)濾波環(huán)節(jié)，直接與逆變器相連，輸出三相交流電壓，通過(guò)工頻變壓器隔離、降壓，最后輸出三相交流電。這是多數(shù)城軌車輛采用的電路結(jié)構(gòu)，如天津?yàn)I海線，長(zhǎng)客生產(chǎn)的部分車輛等。

圖1 兩電平工頻隔離變壓器方案拓?fù)鋱D

該方案的優(yōu)點(diǎn)是逆變器結(jié)構(gòu)和控制較為簡(jiǎn)單，變壓器沒有偏磁問(wèn)題，還可以設(shè)計(jì)不同的變壓器匝數(shù)比來(lái)滿足不同的電壓值需要。但也存在不足之處：工頻隔離變壓器的質(zhì)量和體積偏大，隨著輸入側(cè)網(wǎng)壓增加，開關(guān)管的耐壓等級(jí)需要相應(yīng)提高。

1.2 三電平工頻隔離變壓器方案

此方案是將前一種電路拓?fù)渲械膬呻娖诫娐方Y(jié)構(gòu)改成了三電平電路結(jié)構(gòu)，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。該方案的優(yōu)點(diǎn)是：①輸出電壓波形是12 階梯波，因此諧波含量較低，對(duì)濾波要求較低；②可以采用低電壓等級(jí)的IGBT。沈陽(yáng)地鐵1號(hào)線所使用輔助逆變器即采用三電平逆變器。但三電平逆變器也存在一些不足，主要體現(xiàn)在：①使用器件多，不僅IGBT數(shù)量比二電平單逆變器多一倍，而且還多了2個(gè)箝位二極管；②因使用的電力電子器件多，控制更復(fù)雜，器件多則故障概率高，維護(hù)和維修費(fèi)用高。

圖2 三電平工頻隔離變壓器方案拓?fù)鋱D

1.3 高頻隔離變壓器方案

在傳統(tǒng)的輔助逆變器中，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為：直流高壓輸入→輸入濾波→逆變器→輸出濾波器→輸出變壓器→AC 380 V輸出，其中輸出變壓器工作頻率為工頻50 Hz，因此其體積與質(zhì)量較大，從而使得整個(gè)輔助逆變器體積大、重量重。因此，高頻隔離變壓器方案可以將原有的工頻變壓器替換為高頻變壓器，大附件降低變壓器的體積和重量，提高系統(tǒng)功率密度，但也帶了高開關(guān)頻率下的高損耗問(wèn)題，因此，高頻隔離方案一般采用軟開關(guān)技術(shù)。目前高頻隔離變壓器方案中，主要有2種軟開關(guān)方式，分別是移相全橋軟開關(guān)技術(shù)和LLC諧振技術(shù)。

（1）移相全橋軟開關(guān)技術(shù)

該系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（如圖3）為直流高壓輸入→輸入濾波→高頻變換逆變器→高頻隔離變壓器→整流橋→濾波電路→三相逆變器→輸出正弦濾波器→AC 380 V輸出。

該系統(tǒng)中高頻變換逆變器的開關(guān)頻率越高，高頻變壓器體積和重量越小，但開關(guān)損耗亦增加，降低了系統(tǒng)效率。為此，在方案中可以通過(guò)實(shí)現(xiàn)功率器件的零電壓開通和準(zhǔn)零壓關(guān)斷，克服硬開關(guān)模式的固有缺陷，降低損耗，提高效率。目前，該方案已在上海軌道交通 1、2號(hào)線，廣州地鐵一號(hào)線等線路中得以應(yīng)用。

圖3 高頻隔離變壓器方案一拓?fù)鋱D

（2）LLC諧振軟開關(guān)技術(shù)

此方案中，需要在開關(guān)管和負(fù)載的回路上增加諧振電感L、諧振電容C，變壓器漏感L，如圖4所示。利用交流電路發(fā)生LC諧振時(shí)，電壓、電流會(huì)有過(guò)零點(diǎn)的原理，通過(guò)選擇合適的電感電容值，調(diào)整電路的諧振頻率來(lái)匹配開關(guān)頻率，實(shí)現(xiàn)零電壓開通/關(guān)斷。目前該電路已應(yīng)用在上海地鐵16號(hào)線、寧波地鐵1號(hào)線等。

圖4 高頻隔離變壓器方案二拓?fù)鋱D

目前隨著變換器高頻化輕量化的趨勢(shì)，以及新型電力電子器件的發(fā)展，高頻隔離變壓器方案愈加受到人們的廣泛應(yīng)用

2 SiC器件特點(diǎn)及發(fā)展現(xiàn)狀

SiC器件是近年來(lái)興起的新型電力電子器件，目前已在中低壓領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，由于生產(chǎn)工藝的限制，在高壓領(lǐng)域還存在非常大的發(fā)展應(yīng)用前景[6]。

2.1 SiC材料優(yōu)勢(shì)

以SiC為代表的寬禁帶功率半導(dǎo)體器件與傳統(tǒng)Si基功率半導(dǎo)體器件相比較，其材料特性主要表現(xiàn)在：寬能帶、高飽和速度、高導(dǎo)熱性和高擊穿電場(chǎng)等方面。下表列出了SiC材料與Si材料一些重要物理特性的對(duì)比。

表2 SiC材料與Si材料物理特性對(duì)比

從表中可以看出，SiC材料具有以下特點(diǎn)：

（1）熱導(dǎo)率高，工作溫度可以達(dá)到600℃，而硅器件的最大工作溫度僅為150oC，從而器件的冷卻系統(tǒng)可大為簡(jiǎn)化，其中4H-SiC為4.9W／cm·℃，優(yōu)勢(shì)更加明顯，其熱導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于大多數(shù)半導(dǎo)體，室溫時(shí)幾乎高于所有金屬；

（2）電子飽和漂移速度高，適于微波頻段工作；

（3）擊穿電場(chǎng)高，能夠?qū)崿F(xiàn)高工作電壓；

（4）禁帶寬度寬，本征載流子濃度低，4H—SiC為8.2X10-9／cm3，便于管芯隔離；

（5）抗輻照能力比Si強(qiáng)1—2個(gè)數(shù)量級(jí)，另外開關(guān)損耗低1—2個(gè)數(shù)量級(jí)；

（6）莫氏硬度高達(dá)9級(jí)，僅次于金剛石，便于器件工藝流片和實(shí)施高密度大功率集成。

其中，SiC電力電子器件的重要優(yōu)勢(shì)在于其具有高壓(達(dá)數(shù)萬(wàn)伏)高溫(大于500℃)特性，突破了硅基功率半導(dǎo)體器件電壓(數(shù)kV)和溫度(小于150℃)限制所導(dǎo)致的嚴(yán)重系統(tǒng)局限性。

2.2 SiC器件發(fā)展現(xiàn)狀

隨著碳化硅材料技術(shù)的進(jìn)步，各種碳化硅功率器件被研發(fā)出來(lái)，由于受成本、產(chǎn)量以及可靠性的影響，碳化硅功率器件率先在低壓領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，目前的商業(yè)產(chǎn)品電壓等級(jí)在60-1700V。隨著技術(shù)的進(jìn)步，高壓碳化硅器件已經(jīng)問(wèn)世，并持續(xù)在替代傳統(tǒng)硅器件的道路上取得進(jìn)步。目前，市場(chǎng)上較為常見的碳化硅功率器件主要包括功率二極管、MOSFET器件、IGBT以及晶閘管。生產(chǎn)廠家主要集中在國(guó)外，包括Cree、Infineon、Rohm、賽米控、富士、東芝等公司，而國(guó)內(nèi)的發(fā)展相對(duì)滯后，目前，國(guó)內(nèi)只有泰科天潤(rùn)半導(dǎo)體科技(北京)有限公司實(shí)現(xiàn)了SiC功率器件量產(chǎn)，但一些研究室和科研院所如中國(guó)電科院、中國(guó)中車株洲所、中國(guó)科學(xué)院、西安電子科技大學(xué)、中電科技集團(tuán)13所和55所、清華大學(xué)和國(guó)網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院等也正在開展相關(guān)的碳化硅研制工作，并有小批量的產(chǎn)品面世。

2.3 SiC器件在城軌車輛輔助變流器中的應(yīng)用前景

從第一節(jié)關(guān)于輔助變流器內(nèi)容的介紹，我們可以知道輔助變流器對(duì)功率器件的耐壓和功率等級(jí)要求不高，而目前量產(chǎn)的SiC器件正符合該系統(tǒng)的應(yīng)用需求，如Cree公司的1700V/225A的SiC MOSFET模塊（型號(hào)為CAS30017BM2），其單次開關(guān)能量E和E分別為10 mJ和13 mJ，約為同等級(jí)Si IGBT的E和E的1/10，對(duì)系統(tǒng)效率的提升非常明顯。

而在系統(tǒng)拓?fù)涞倪x擇方面，為充分發(fā)揮SiC器件的高頻性能優(yōu)勢(shì)，建議采用高頻隔離變壓器方案，結(jié)合文中介紹的兩種軟開關(guān)技術(shù)，可以將系統(tǒng)中高頻變換逆變器的開關(guān)頻率提高至幾十kHz，大大降低高頻變壓器的體積和重量，同時(shí)不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的效率造成較大的影響，系統(tǒng)依然能夠滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

由于城軌車輛輔助變流器供電制式有750V和1500V兩種，而目前SiC MOSFET量產(chǎn)產(chǎn)品最高電壓為1700V，因此面對(duì)不同的供電制式，需要對(duì)高頻隔離變壓器方案電路進(jìn)行一定的修改。當(dāng)供電電壓為750V時(shí)，那么可以直接采用文中所示的兩電平電路結(jié)構(gòu)，1700V的SiC MOSFET就可以滿足系統(tǒng)的耐壓要求；當(dāng)供電電壓為1500V時(shí)，前端的高頻DC/DC變換器是不能采用兩電平結(jié)構(gòu)的，因此，為了能夠應(yīng)用1700V的SiC器件，可以將前端的高頻DC/DC變換器改為三電平電路結(jié)構(gòu)或者輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)變換器，這樣做會(huì)相應(yīng)地增加功率器件的數(shù)量以及控制策略的復(fù)雜性，但這樣才能使SiC器件滿足系統(tǒng)耐壓要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文總結(jié)和分析了城軌車輛中幾種常見的輔助變流器拓?fù)浞桨?，結(jié)合SiC器件的特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)與發(fā)展現(xiàn)狀，給出了城軌車輛SiC輔助變流器電路拓?fù)涞姆桨高x擇，同時(shí)，根據(jù)輔助變流器供電制式的不同，提出了不同的采用SiC器件的高頻隔離變壓器方案，使得器件能夠滿足系統(tǒng)的耐壓要求，為城軌車輛SiC輔助變流器提供了清晰的設(shè)計(jì)方案。

[1] 王鑫, 趙清良, 曾明高, 等. 北京地鐵國(guó)產(chǎn)列車輔助電源系統(tǒng)及其改進(jìn)[J]. 機(jī)車車輛工藝, 2007, (2): 26-29.

[2] 康亞慶. 地鐵車輛輔助系統(tǒng)兩種供電網(wǎng)絡(luò)的分析[J]. 現(xiàn)代城市軌道交通, 2009, (4): 27-31.

[3] 肖彥君, 吳茂杉. 城軌列車輔助供電系統(tǒng)的技術(shù)要求和電路選型[J]. 現(xiàn)代城市軌道交通, 2004, (4): 24-27.

[4] 張琳. 淺析城市軌道交通車輛用輔助電源系統(tǒng)[J]. 科技資訊, 2007, (22): 61-62.

[5] 龔文斌, 張衛(wèi)東. Alstom 地鐵列車中壓輔助供電形式的性能比較及優(yōu)化[J]. 儀表技術(shù), 2011, (1): 57-64.

[6] 王莉, 朱萍. 新型寬帶SiC功率器件在電力電子中的應(yīng)用[J]. 南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào), 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, 羅情平, 陳萍, 等. 城軌車輛SiC輔助變流器研究綜述[J]. 數(shù)碼設(shè)計(jì), 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，漢族，山東省德州市，工程師，電力電子及電力傳動(dòng)方向。E-mail:2209282216@qq.com