功率半导体推动高速电气化铁路发展

早在19世纪70年代，德国就建成了当时最早的电气化铁路线。但是由于当时代技术的局限性，机车的牵引电机都是直流电机，采用机械接触器或者继电器对电机进行控制和保护。虽然这种技术有着明显的不足，比如调速不连续，寿命短等，但是这在当时已经是跨时代的设计了，这样的设计一直延续到了第一代的功率半导体器件二极管的诞生，由于二极管有着正向导通，反向截止的特性，能方便的构成整流桥。这使得交流电网能方便的被应用到电气化铁路上来。交流电网的电压等级都相对较高，这样相同功率下电流造成的传输损耗能大大降低。通过多抽头的变压器和抽头变换器输出不同电压的交流电，再用整流桥变换成直流电来控制直流电机，系统的体积和成本大大降低。之后不久，这一技术又被新的功率器件晶闸管所取代，晶闸管相对于二极管来说，它的正向开通是可控制的，这样在类似于用二极管的方案基础下，可以采用单抽头的变压器来取代多抽头的变压器，并且能省略抽头变换器，通过控制晶闸管的导通角来控制直流电压，来实现对直流电机的控制。
　　在上世纪80年代，在晶闸管的基础上开发出了GTO（门极可关断晶闸管）器件。GTO不仅能像普通晶闸管一样控制器件的开通，并且可以通过外加的驱动器控制器件关断。这使得控制直流电机仅仅需要一个GTO就能实现。直流电机在牵引中的应用发展到了巅峰，与此同时GTO也打开了交流异步电机进入牵引市场的大门。相对于直流电机，交流异步电机有着成本低、运行可靠（没有换向器）、能量回馈范围广等优势，但是由于其需要进行变频控制，这一直制约着它在牵引中的应用。全控型GTO的出现使得大功率的变频逆变器成为可能，交流异步电机配合GTO逆变器的方案迅速成为牵引市场的主流设计。
　　在此之后，更新型的功率半导体器件IGBT（绝缘栅场效应晶体管）又逐渐走进了牵引应用。同样是全控型器件的IGBT, 相对于GTO来说，有着更小的开关损耗，易于驱动等特点。采用IGBT的逆变器能实现更低的损耗和更高的开关频率。这使得逆变器的体积大大减小，并且噪音也大大降低。目前新型的牵引逆变器采用的都是IGBT方案。但是功率半导体对电气化铁路发展的贡献远没有结束，半导体生产厂商还在不断的致力于开发出更完善的IGBT模块来满足电气化铁路逆变器的要求。

图1 采用IGBT技术的现代牵引逆面器拓扑

图2  a: 牵引级模块的温度周次能力    b：牵引级模块的温度周次能力
 
　　新型的牵引逆变器要求有更高的功率密度，这意味着在输出功率提高的条件下，系统体积还要不断减小。能达到这一目标的手段无非就是三种：降低IGBT模块损耗，提高IGBT模块的最高允许结温和采用更好的散热系统。前两者都是IGBT的相关特性。英飞凌将沟槽栅+场终止技术引入到3.3kV和6.5kV系列芯片中，开发出了最新的第三代3.3kV E3, H3芯片和6.5kV的E3芯片。相对于上一代3.3kV的KF2C和6.5kV的KF2芯片，沟槽栅技术使得芯片的饱和压降大大降低，场终止技术使得芯片能变得更薄，从而使得芯片各方面性能都有大幅提升。由于牵引逆变器的开关频率都比较低，损耗主要来自于器件的通态损耗，采用新一代技术，能使得逆变器的整体效率大幅提高。此外新的3.3kV的E3，H3模块进行了进一步的优化，芯片最高结温相对于上一代提高了25度，达到了175度。这也使得牵引逆变器的功率密度能大大提高。

 
 图3 新一代6.5kV E3芯片比上一代KF2降低30%
　　牵引逆变器要求极高的可靠性。这主要体现在牵引逆变器不仅在正常工况下必须能够正常运行，并且在极限，甚至有故障情况下也能及时保护或处理。这要求IGBT模块必须有很高的安全工作区，短路承受能力和浪涌冲击能力。就英飞凌最新的6.5kV E3芯片为例。所有出场芯片都100%经过3倍于标称电流的开关测试（一般典型定义安全工作区为两倍标称电流），芯片的短路承受时间为14us（一般IGBT的短路承受时间为10us），浪涌冲击电流能力为上一代芯片的3倍。这都使得这款新的芯片在可靠性方面表现卓越。

图4 a:FZ750R65KE3关断3倍标称电流            b:FZ750R65KE3短路14us

 
　　目前，新一代的IGBT模块几经完成：3.3kV模块最大封装可达到1500A标称电流（FZ1500R33HE3, FZ1500R33HL3）,6.5kV模块最大封装可达到750A标称电流（FZ750R65KE3）。新的模块无论在电气性能，可靠性及寿命方面都有着长足的进步。这将推动新一轮的牵引逆变器设计，并使得高速电气化铁路得到进一步的发展。
 

 作者：英飞凌科技中国有限公司　周益铮