中心議題

• 高速機車(chē)對電力電子器件的需求
• 電力電子器件的最新發(fā)展趨勢
• 高速列車(chē)電子系統設計師需要注意的問(wèn)題

解決方案

• IGBT在交-直-交變流傳動(dòng)系統中應用廣泛
• 一些軍工企業(yè)的工業(yè)級器件可以被用于高速機車(chē)
• 工程師設計時(shí)要注意到高速機車(chē)對電子系統的特殊要求

四萬(wàn)億已經(jīng)成為最近一段時(shí)間的流行語(yǔ)，這四萬(wàn)億投資中很大一部分將流入高速鐵路建設領(lǐng)域，電子行業(yè)作為現代工業(yè)的基礎保障性行業(yè)，自然不會(huì )缺席這場(chǎng)規?？涨巴顿Y盛宴，建設高速鐵路，需要現代化的路網(wǎng)指揮系統、現代化的高速機車(chē)，這些都和電子元器件尤其是大功率電力電子器件密不可分，為相關(guān)的元器件企業(yè)提供了市場(chǎng)機會(huì )；同時(shí)也要求電子工程熟悉這些器件的特性和相關(guān)系統的設計要求。

高速列車(chē)對電力電子器件的要求
在高速鐵路建設拉動(dòng)的三大行業(yè)(鋼鐵、工程機械、機車(chē))中，無(wú)疑機車(chē)行業(yè)和電子元器件企業(yè)關(guān)系最大，高速列車(chē)電傳動(dòng)系統是高速列車(chē)的核心系統之一，而該系統之所以能夠迅猛發(fā)展，首先是得益于電力電子器件的發(fā)展，它為交流調速奠定了基礎。

高速列車(chē)要達到高速運行，必須具有大功率的牽引系統。如果列車(chē)行車(chē)速度要達到每小時(shí)300公里以上，高速列車(chē)牽引功率大約在10000千瓦左右。這樣大的高速列車(chē)功率，通常只有用電力牽引才能獲得。機車(chē)從電網(wǎng)獲得電能(或將機車(chē)發(fā)動(dòng)機的機械能轉變成電能)，然后通過(guò)變流器調節該電能的電壓、頻率等實(shí)現電動(dòng)機調速，帶動(dòng)列車(chē)輪對旋轉使列車(chē)前進(jìn)。

電傳動(dòng)系統一般分為"交-直"和"交-直-交"等類(lèi)型。"交-直"電傳動(dòng)是將機車(chē)從供給電能的接觸網(wǎng)經(jīng)受電弓獲得的交流電，再經(jīng)整流器將其變成電壓可調的直流電，供給直流電機牽引列車(chē)，通過(guò)改變電壓實(shí)現變速。但由于直流牽引電動(dòng)機結構復雜，電刷易磨耗，維修量大，單位重量比功率小等原因，不適合高速列車(chē)。

而"交-直-交"電傳功是將獲得的單相交流電，經(jīng)變流器變成直流電，再經(jīng)逆變器將直流電變成電壓和頻率都可調的三相交流電，供給三相交流電動(dòng)機，驅動(dòng)列車(chē)。當今高速列車(chē)都采用"交-直-交"電傳動(dòng)方式，因它具有一系列優(yōu)點(diǎn):可實(shí)現大功率、交流電機重量輕、少維修、利于輪軌粘著(zhù)、易實(shí)現再生制動(dòng)等，這些都是高速列車(chē)希望獲得的性能。如再生制動(dòng)能將高速列車(chē)巨大的動(dòng)能通過(guò)電動(dòng)機轉變?yōu)榘l(fā)電機工況運行，使列車(chē)動(dòng)能被利用，重新轉化為電能，反饋回電網(wǎng)，具有較好的經(jīng)濟性。尤其是當前"交-直-交"變流及逆變器元件發(fā)展迅速，十幾年來(lái)從可控硅晶閘管發(fā)展到大電流門(mén)極可關(guān)斷晶閘管(GTO)，進(jìn)而采用高壓絕緣雙極晶體管(ICBT)及智能功率模塊(IPM)等，使逆變器性能及機車(chē)控制等得到進(jìn)一步改善。

目前電力電子器件正在向大功率化、高頻化、模塊化、智能化的方向發(fā)展，其中應用于高速列車(chē)交流調速的智能功率模塊IPM采用IGBT作為功率開(kāi)關(guān)，該模塊含有電流傳感器、驅動(dòng)電路及過(guò)載、短路、超溫、欠壓保護電路等，實(shí)現了信號處理、故障診斷、自我保護等多種功能，它具有體積小、重量輕、可靠性高、使用維護方便等優(yōu)點(diǎn)，將被廣泛用于牽引領(lǐng)域。而研制始與上世紀70年代的GTO元件，更是已經(jīng)被廣泛用于目前的高速列車(chē)中。

元器件選型和系統設計要點(diǎn)
高速列車(chē)的電子系統設計是一門(mén)專(zhuān)門(mén)的學(xué)問(wèn)，相應的工程師在選擇相應器件和進(jìn)行系統設計時(shí)要注意以下問(wèn)題：

•需要根據所需的牽引功率選擇滿(mǎn)足要求的功率器件
•需要認真地考慮元器件的使用環(huán)境，包括震動(dòng)、溫度、濕度等
•機車(chē)上動(dòng)力電纜多，電磁干擾較強，需要注意系統的EMI和EMC問(wèn)題
•機車(chē)使用環(huán)境要求高可靠性，需要選擇滿(mǎn)足工業(yè)標準的電子元器件
•為了實(shí)現高可靠性，需要特別注意電路保護設計和設置必要的系統冗余
•在元器件選擇和系統設計時(shí)，要考慮到機車(chē)進(jìn)一步升級換代的需要

國內大功率電力電子元件的發(fā)展現狀
遺憾的是，作為目前我國尚不能制造的高速列車(chē)部件(車(chē)輪、車(chē)軸、IGBT)中的一種，我國的國內企業(yè)還沒(méi)有一家可以完全生產(chǎn)IGBT,目前國內只有西安電力電子技術(shù)研究所和美國國際整流器公司(IR)合資的西安愛(ài)帕克電力電子有限公司可以封裝生產(chǎn)IGBT模塊，該公司采用美國IR公司的封裝技術(shù)，芯片由美國IR公司提供，主要生產(chǎn)設備和測試設備以及關(guān)鍵原材料從美國、日本、德國和意大利進(jìn)口。

顯然，我們仍不掌握IGBT生產(chǎn)的核心技術(shù)。當然，國內企業(yè)在大功率電力電子器件的研制上也取得了一些進(jìn)步，除了上面提到的西安電力電子研究所，株洲南車(chē)時(shí)代電氣公司立足IGBT應用技術(shù)，消化吸收國外先進(jìn)技術(shù)，在大功率IGBT的可靠性研究和試驗等關(guān)鍵技術(shù)上取得了突破，為IGBT的封裝和芯片研究打下了較好的基礎。至于GTO元件，國內很多廠(chǎng)家都可生產(chǎn)，比如以上提到的南車(chē)時(shí)代電器，不過(guò)電力機車(chē)采用IGBT器件取代GTO將成為趨勢（原因見(jiàn)，附：IGBT用于高壓大容量的電氣傳動(dòng)領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢），國內元器件廠(chǎng)家要想在該領(lǐng)域內分享市場(chǎng)還需做出很大努力。

高速列車(chē)中的連接器
a.通用連接器
另外連接器也是高速列車(chē)中用量較大的電子元器件，也為連接器領(lǐng)域的一些技術(shù)領(lǐng)軍企業(yè)提供了機會(huì )，比如貴州航天電器。該公司生產(chǎn)的連接器已經(jīng)被神舟飛船和嫦娥繞越探測衛星等航天應用選用，而且也大量使用在艦船等需要高可靠性要求的軍用場(chǎng)合，從技術(shù)上用于高速列車(chē)應用應該沒(méi)有問(wèn)題。該公司在05年就投入資金于主要為通訊、交通應用的第三代PCB印制板連接器，通訊、交通用射頻同軸連接器以及線(xiàn)纜組合及其他通用連接器的研發(fā)工作，在該領(lǐng)域深耕多年。

b.光纖連接器
光纖是列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò )的主要介質(zhì)之一，采用光纖傳輸的優(yōu)點(diǎn)是：
•抗電磁干擾的能力強，
•可以提高傳輸頻率和擴大通信的信息量。

缺點(diǎn)是：
•需要有光電轉換的專(zhuān)門(mén)接口，連接時(shí)接口要對準
•透鏡上不能沾上灰塵、水汽和油污，否則會(huì )影響信號的衰減和光的傳播乃至通信失敗。

300系列電動(dòng)車(chē)組在光纖通信可靠性方面曾經(jīng)遇到過(guò)一些麻煩，要求光纖連接器的拆卸須有嚴格的防污措施。然而實(shí)際上，由于車(chē)廂內的光纖接口維護比較容易，且機車(chē)上動(dòng)力電纜多，電磁干擾較強，機車(chē)上的車(chē)廂總線(xiàn)介質(zhì)采用光纖比較好。

ADtranz公司的車(chē)廂總線(xiàn)就采用了光纖，我國TM1機車(chē)上的車(chē)廂總線(xiàn)也采用了光纖。日本的列車(chē)總線(xiàn)和車(chē)廂總線(xiàn)也都采用光纖。光網(wǎng)絡(luò )的應用除了給光纖企業(yè)帶來(lái)機會(huì )，一些從事光無(wú)源器件的廠(chǎng)家也可以從中受益，比如中航光電公司等，該公司可以生產(chǎn)系列的光無(wú)源器件，包括光纖連接器等。

本文小結
目前來(lái)看，高速列車(chē)使用的大功率電力電子器件是我國電子元器件的弱項，國內企業(yè)想在該領(lǐng)域占據大的份額比較困難，而如通用連接器、光纖連接器等無(wú)源器件，國內的一些技術(shù)領(lǐng)先企業(yè)，尤其是軍工企業(yè)有望占據一定的市場(chǎng)份額，成為這些企業(yè)轉戰軍轉民市場(chǎng)的又一領(lǐng)域。另一方面，從事機車(chē)電子系統設計的工程師將在接下來(lái)的幾年里恐怕會(huì )空前的忙碌，一方面由高速列車(chē)的速度要求帶來(lái)的電力牽引動(dòng)力需求會(huì )對他們提出挑戰，另一方面，高速列車(chē)的網(wǎng)絡(luò )通信系統、信息娛樂(lè )系統也會(huì )為從事相關(guān)行業(yè)的電子工程師開(kāi)辟一個(gè)新的用武之地。

附：IGBT用于高壓大容量的電氣傳動(dòng)領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢：1) 可以進(jìn)行高頻開(kāi)關(guān)控制 IGBT 開(kāi)關(guān)頻率到20k～50kHz，而GTO一般不過(guò)幾百赫茲，頻率提高可使系統實(shí)現低噪聲和小型化。2)通過(guò)電壓驅動(dòng)，控制簡(jiǎn)單，驅動(dòng)功率小。由于IGBT 是M O S 與雙極型復合器件。它具有MOSFET 高輸入阻抗特性，可以通過(guò)電壓驅動(dòng)。而GTO的關(guān)斷門(mén)極電流可達導通電流的20%～50%。它的驅動(dòng)電路需要專(zhuān)門(mén)設計。3)IGBT易于并聯(lián)，可做成模塊化的IPM，以簡(jiǎn)化裝置結構。這方面三菱公司已有產(chǎn)品推出。