摘要：
以碳化硅为代表的新一代半导体器件在城市轨道交通车辆中的应用对车辆牵引电传动系统技术的发展意义重大。将混合碳化硅器件应用于城市轨道交通车辆牵引系统中，能极大地发挥碳化硅器件高温、高频和低损耗的特点，提高车辆牵引系统效率，实现牵引系统的节能降耗目标。与硅功率器件的电机损耗相对比，混合碳化硅功率器件的电机损耗可降低４％；通过更换功率器件、配套新型牵引控制单元，以及采用新的PＷＭ（脉冲宽度调制）控制算法，降低了功率器件的开关损耗和导通损耗。在此基础上，优化了碳化硅功率器件的控制算法，以抑制电流谐波、降低电机损耗。软件仿真和装车测试结果验证了该混合碳化硅器件在车辆牵引系统中的节能效果。
目前，在城市轨道交通中广泛应用的牵引变流器主要采用基于硅材料的ＩＧＢＴ（绝缘栅双极型晶体管）功率器件。随着中高压ＩＧＢＴ的问世及交流传动控制技术的发展成熟，ＩＧＢＴ逆变器实现了车辆的牵引变流，在轨道交通车辆牵引系统中得到了广泛的采用，并占据了市场的主导地位。但是，ＩＧＢＴ器件的性能已趋近于硅材料的性能极限，以及轨道交通行业的特殊应用环境和车辆对节能要求进一步提高等因素，限制了牵引变流器向高效、高功率密度方向的发展。
碳化硅等新型半导体材料的出现，为上述问题提供了解决方案，也为下一代碳化硅牵引变流器的研制提供了方向。与传统硅材料器件相比，碳化硅作为半导体材料具有优异的性能，尤其是应用于对功率进行转换和控制的元器件时，其在击穿场强、禁带宽度、电子饱和速度、熔点及热导率方面均具有优势，可满足低导通电阻、开关频率高和耐高温高压等工作要求。
牵引系统是车辆最主要的用电负载，碳化硅为代表的新一代半导体器件在城市轨道交通车辆中的应用，对牵引电传动系统技术的发展有重要意义。本文以混合碳化硅器件为研究对象，研究并验证混合碳化硅器件在车辆牵引系统中的节能效果。
1、混合碳化硅器件的应用分析
本文研究的牵引变流器混合碳化硅器件将原ＩＧＢＴ内部反向并联的二极管替换为基于碳化硅材料的肖特基二极管（ＳｉＣ⁃ＳＢＤ），而原ＩＧＢＴ仍沿用硅材料。图１为混合碳化硅模块封装外形及替换二极管的示例图。
二极管的电力损失主要包括开关损失和导通损失两部分。本文对采用传统硅材料二极管和采用碳化硅材料二极管的开关损耗和导通损耗进行对比分析。
１、开关损耗对比。和传统硅二极管相比，碳化硅二极管具有反向恢复电流接近０、器件热阻低及耐受结温高等优势。采用碳化硅器件，二极管的开关损耗可减小很多。
２、导通损耗对比。碳化硅的绝缘破坏电场是硅的１０倍，其导通电阻与硅相比也更低，这使得碳化硅二极管的导通损耗低于硅二极管。
两种二极管电能损耗对比结果如图２所示。由图２可知：采用碳化硅模块的二极管可减小反向恢复电流峰值；碳化硅二极管从开关损耗和导通损耗方面均优于普通硅二极管，可为牵引变流器的节能研究提供硬件支撑。
2、牵引变流器电机损耗对比分析
2.1、硅器件和碳化硅器件的电机损耗对比
图３ａ）为牵引变流器主电路损耗的分类占比，可以看出：在主要电气品中，电机损耗比例最大（８４％），因此降低电机损耗十分重要。进一步对引发电机损耗的原因进行分析，如图３ｂ）所示，在电机损耗中，除了铜、铁等材料损耗外，因变流器的脉宽调制控制产生的谐波损耗占１７％。因谐波损失引起的电机损耗可通过优化脉宽调制算法予以减小。
如图４所示，本文针对传统硅器件二极管与碳化硅器件二极管，分别对比了这两种模块的二极管恢复波形和ＩＧＢＴ开通波形，并对比了二者的功率单元损耗。由图４可知，与传统硅器件模块二极管相比，碳化硅器件模块二极管的损耗降低效果显著：恢复损耗可减小至传统硅器件恢复损耗的１／１０；ＩＧＢＴ开通损耗可减小至传统硅器件恢复损耗的１／２；功率单元损耗可减小至传统硅器件的６５％。
2.2、传统脉宽控制及基于碳化硅节能控制的电机损耗对比
由于混合碳化硅器件具有工作频率高的优点，对牵引变流器功率模块的脉宽调制控制策略进行优化，可充分发挥碳化硅器件的优势，进一步实现城市轨道交通车辆的牵引节能。图５将传统脉宽调制控制（以下简称“传统控制”）、与碳化硅模块配套的新型节能控制（以下简称“节能控制”）两种工况下的电机电流波形进行对比。由图５可看出，与传统脉宽控制相比，节能控制下电流谐波有所减小，电机损耗降低了４％。
综上所述，从碳化硅器件自身损耗低的特性及优化牵引变流器控制算法两方面着手，可最大程度地减少牵引变流器的电机损耗，实现牵引变流器节能的目标。
3、混合碳化硅牵引变流器设计方案
混合碳化硅牵引变流器设计时，由６个混合碳化硅器件组成１个三相逆变单元，并采用１台牵引变流器驱动４台牵引电动机的工作方式。该牵引变流器的主电路采用两电平的电压型直⁃交逆变电路。列车通过高压回路将ＤＣ１５００Ｖ直流电供给牵引逆变器，经牵引变流器变换成频率和电压均可调的三相交流电后，再向异步牵引电动机供电。
牵引主电路主要由滤波电路、充放电电路、逆变单元、斩波单元、检测元件及牵引电动机等设备组成，其中，将斩波单元与三相逆变单元集成在一起共同组成功率单元。当电网电压在１０００～１８００Ｖ内波动时，主电路均能正常工作，并可方便地实现列车牵引和制动的无节点转换。该功率单元选用的混合碳化硅功率器件型号为ＭＢＮ１８００Ｆ３３Ｆ⁃Ｃ３，规格为３３００Ｖ／１８００Ａ，厂家为日立，采用软门极控制，具有低功耗、高性能、低噪声、高耐热疲劳性等特点。其技术参数如表１所示。
图６为碳化硅牵引变流器的三维结构示意图。该牵引变流器具有以下结构特点：
①、由牵引变流器箱体、高压电路和低压控制电路组成，安装在车辆下方，安装方式为托装；
②、分为开放室和密闭室两部分，变流器所需的大量散热设备经绝缘处理后安装在开放室内，使其自然冷却，而对防尘要求较高的零部件则安装在密闭室内；
③、混合碳化硅模块安装在密闭室内，其冷却采用热管散热器，通过散热基板和热管散热器（内含冷媒）将热量散发到车辆侧的通风部分。
4、混合碳化硅器件的控制算法优化
为减少功率器件的开关损耗和导通损耗抑制电流谐波，应对碳化硅功率器件的配套控制算法进行优化。根据不同的列车运行速度等级，在传统控制和节能控制下分别采用了３种不同的ＰＷＭ（脉冲宽度调制）控制算法，如图７所示。由图７可知，与传统控制相比，节能控制对算法进行了优化，该优化控制算法也可用于硅器件，但用于硅器件时，其电机损耗会有所增加。
１、在低速阶段，用ＨＩＰ代替异步ＰＷＭ，以获得更高的直流母线电压利用率，此时的电流正弦度更高，电流谐波损耗更少。
２、在中速阶段，为应对优化的ＰＷＭ控制，碳化硅牵引变流器安装了搭载高性能微处理器的新型无接点控制单元（型号为ＶＬ６），可以实现比以往更高速的ＰＷＭ运算处理。相较于以往的同步ＰＷＭ控制，新低畸变同步ＰＷＭ在１个运算周期内可以得到更多的调制分段，减少电流畸变。
３、在高速阶段，用最优同步３脉冲调制替代传统的单脉冲方波调制，这虽然会增加变流器的损耗，但由于采用的低损耗碳化硅模块可抑制变流器损耗的增加，可在保持变流器损耗不变的前提下对ＰＷＭ控制算法进行优化，从而在很大程度上减小了电流谐波，减小了牵引电机的损耗。
以硅模块的同步单脉冲ＰＷＭ控制算法为基准，采用最优同步３脉冲调制后，传统硅模块的损耗增加了５１％，而碳化硅模块的损耗基本保持不变。
5、仿真计算与现车测试
5.1、仿真计算
本文选取上海轨道交通８号线（以下简称“８号线”）进行仿真节能测试，计算该线列车两种控制类型下每车公里的耗电量，其仿真计算结果如表２所示。由表２可计算得到，相较于硅变流器，碳化硅变流器耗电量减少了２.１７％。
5.2、样机测试
本文所研制的混合碳化硅牵引变流器如图８所示。根据ＩＥＣ６１２８７⁃１：２０１４《轨道交通机车车辆用电力变流器第１部分：特性和试验方法》进行相关试验，在实施混合碳化硅牵引变流器电气性能试验的同时，重点关注了逆变器温升、电磁兼容和冲击振动等试验项目及参数情况。样机试验结果表明：该混合碳化硅牵引变流器可以满足设计要求。
5.3、正线节能测试
为真实体现混合碳化硅牵引变流器的节能效果，本文选取８号线列车进行装车测试，该列车为５动２拖的７节编组形式。测试时采用混装方式，即在测试列车的２号车、４号车及５号车上各安装１台硅牵引变流器，在３号车和６号车上各安装１台混合碳化硅牵引变流器，如图９所示。
测试列车累计开行３６０００ｋｍ，其能耗测试结果如表３所示。经计算，３台硅牵引变流器的平均能耗为５３８５１ｋＷｈ，２台混合碳化硅牵引变流器的平均能耗为５２１１６ｋＷｈ，后者较前者节能３.２２％。与仿真数据相比，正线实际运营中信号系统控制列车运行时，列车在牵引和制动模式间频繁切换，会造成更多的损耗，其碳化硅牵引变流器的节能效果将更为显著。
6、结语
本文提出的基于混合碳化硅器件的牵引节能研究，可为城市轨道交通车辆牵引系统的商业推广提供助力，带动相关产业链发展。该研究可进一步提高我国城市轨道交通的自主设计开发能力及技术产品水平，降低研发采购成本，降低牵引系统能耗，促进城市轨道交通领域的节能减排。
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