中心議題

• 高速機車對電力電子器件的需求
• 電力電子器件的最新發展趨勢
• 高速列車電子係統設計師需要注意的問題

解決方案

• IGBT在交-直-交變流傳動係統中應用廣泛
• 一些軍工企業的工業級器件可以被用於高速機車
• 工程師設計時要注意到高速機車對電子係統的特殊要求

四(si)萬(wan)億(yi)已(yi)經(jing)成(cheng)為(wei)最(zui)近(jin)一(yi)段(duan)時(shi)間(jian)的(de)流(liu)行(xing)語(yu)，這(zhe)四(si)萬(wan)億(yi)投(tou)資(zi)中(zhong)很(hen)大(da)一(yi)部(bu)分(fen)將(jiang)流(liu)入(ru)高(gao)速(su)鐵(tie)路(lu)建(jian)設(she)領(ling)域(yu)，電(dian)子(zi)行(xing)業(ye)作(zuo)為(wei)現(xian)代(dai)工(gong)業(ye)的(de)基(ji)礎(chu)保(bao)障(zhang)性(xing)行(xing)業(ye)

，自(zi)然(ran)不(bu)會(hui)缺(que)席(xi)這(zhe)場(chang)規(gui)模(mo)空(kong)前(qian)投(tou)資(zi)盛(sheng)宴(yan)
，建(jian)設(she)高(gao)速(su)鐵(tie)路(lu)
，需(xu)要(yao)現(xian)代(dai)化(hua)的(de)路(lu)網(wang)指(zhi)揮(hui)係(xi)統(tong)、現代化的高速機車，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，為相關的元器件企業提供了市場機會

；同時也要求電子工程熟悉這些器件的特性和相關係統的設計要求。

高速列車對電力電子器件的要求
在高速鐵路建設拉動的三大行業(鋼鐵、工程機械、機車)中(zhong)
，無(wu)疑(yi)機(ji)車(che)行(xing)業(ye)和(he)電(dian)子(zi)元(yuan)器(qi)件(jian)企(qi)業(ye)關(guan)係(xi)最(zui)大(da)，高(gao)速(su)列(lie)車(che)電(dian)傳(chuan)動(dong)係(xi)統(tong)是(shi)高(gao)速(su)列(lie)車(che)的(de)核(he)心(xin)係(xi)統(tong)之(zhi)一(yi)，而(er)該(gai)係(xi)統(tong)之(zhi)所(suo)以(yi)能(neng)夠(gou)迅(xun)猛(meng)發(fa)展(zhan)
，首(shou)先(xian)是(shi)得(de)益(yi)於(yu)電(dian)力(li)電(dian)子(zi)器(qi)件(jian)的(de)發(fa)展(zhan)，它(ta)為(wei)交(jiao)流(liu)調(tiao)速(su)奠(dian)定(ding)了(le)基(ji)礎(chu)。

高速列車要達到高速運行，必須具有大功率的牽引係統。如果列車行車速度要達到每小時300公裏以上，高速列車牽引功率大約在10000千瓦左右。這樣大的高速列車功率，通常隻有用電力牽引才能獲得。機車從電網獲得電能(或將機車發動機的機械能轉變成電能)，然後通過變流器調節該電能的電壓、頻率等實現電動機調速
，帶動列車輪對旋轉使列車前進。

電傳動係統一般分為"交-直"和"交-直-交"等類型。"交-直"電(dian)傳(chuan)動(dong)是(shi)將(jiang)機(ji)車(che)從(cong)供(gong)給(gei)電(dian)能(neng)的(de)接(jie)觸(chu)網(wang)經(jing)受(shou)電(dian)弓(gong)獲(huo)得(de)的(de)交(jiao)流(liu)電(dian)，再(zai)經(jing)整(zheng)流(liu)器(qi)將(jiang)其(qi)變(bian)成(cheng)電(dian)壓(ya)可(ke)調(tiao)的(de)直(zhi)流(liu)電(dian)，供(gong)給(gei)直(zhi)流(liu)電(dian)機(ji)牽(qian)引(yin)列(lie)車(che)，通(tong)過(guo)改(gai)變(bian)電(dian)壓(ya)實(shi)現(xian)變(bian)速(su)。但(dan)由(you)於(yu)直(zhi)流(liu)牽(qian)引(yin)電(dian)動(dong)機(ji)結(jie)構(gou)複(fu)雜(za)，電(dian)刷(shua)易(yi)磨(mo)耗(hao)

，維(wei)修(xiu)量(liang)大(da)

，單(dan)位(wei)重(zhong)量(liang)比(bi)功(gong)率(lv)小(xiao)等(deng)原(yuan)因(yin)

，不(bu)適(shi)合(he)高(gao)速(su)列(lie)車(che)。

而"交-直-交"電dian傳chuan功gong是shi將jiang獲huo得de的de單dan相xiang交jiao流liu電dian，經jing變bian流liu器qi變bian成cheng直zhi流liu電dian，再zai經jing逆ni變bian器qi將jiang直zhi流liu電dian變bian成cheng電dian壓ya和he頻pin率lv都dou可ke調tiao的de三san相xiang交jiao流liu電dian，供gong給gei三san相xiang交jiao流liu電dian動dong機ji，驅qu動dong列lie車che。當dang今jin高gao速su列lie車che都dou采cai用yong"交-直-交"電傳動方式，因它具有一係列優點:可實現大功率
、交流電機重量輕、少維修
、利於輪軌粘著
、易(yi)實(shi)現(xian)再(zai)生(sheng)製(zhi)動(dong)等(deng)，這(zhe)些(xie)都(dou)是(shi)高(gao)速(su)列(lie)車(che)希(xi)望(wang)獲(huo)得(de)的(de)性(xing)能(neng)。如(ru)再(zai)生(sheng)製(zhi)動(dong)能(neng)將(jiang)高(gao)速(su)列(lie)車(che)巨(ju)大(da)的(de)動(dong)能(neng)通(tong)過(guo)電(dian)動(dong)機(ji)轉(zhuan)變(bian)為(wei)發(fa)電(dian)機(ji)工(gong)況(kuang)運(yun)行(xing)，使(shi)列(lie)車(che)動(dong)能(neng)被(bei)利(li)用(yong)，重(zhong)新(xin)轉(zhuan)化(hua)為(wei)電(dian)能(neng)，反(fan)饋(kui)回(hui)電(dian)網(wang)，具(ju)有(you)較(jiao)好(hao)的(de)經(jing)濟(ji)性(xing)。尤(you)其(qi)是(shi)當(dang)前(qian)"交-直-交"變流及逆變器元件發展迅速，十幾年來從可控矽晶閘管發展到大電流門極可關斷晶閘管(GTO)，進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控製等得到進一步改善。

目前電力電子器件正在向大功率化
、高頻化、模塊化

、智能化的方向發展，其中應用於高速列車交流調速的智能功率模塊IPM采用IGBT作為功率開關，該模塊含有電流傳感器
、驅動電路及過載、短路

、超溫、欠壓保護電路等
，實現了信號處理、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
、使用維護方便等優點，將被廣泛用於牽引領域。而研製始與上世紀70年代的GTO元件
，更是已經被廣泛用於目前的高速列車中。

元器件選型和係統設計要點
高速列車的電子係統設計是一門專門的學問，相應的工程師在選擇相應器件和進行係統設計時要注意以下問題：

•需要根據所需的牽引功率選擇滿足要求的功率器件
•需要認真地考慮元器件的使用環境，包括震動
、溫度
、濕度等
•機車上動力電纜多
，電磁幹擾較強，需要注意係統的EMI和EMC問題
•機車使用環境要求高可靠性，需要選擇滿足工業標準的電子元器件
•為了實現高可靠性，需要特別注意電路保護設計和設置必要的係統冗餘
•在元器件選擇和係統設計時


，要考慮到機車進一步升級換代的需要

國內大功率電力電子元件的發展現狀
遺憾的是，作為目前我國尚不能製造的高速列車部件(車輪、車軸、IGBT)中的一種，我國的國內企業還沒有一家可以完全生產IGBT,目前國內隻有西安電力電子技術研究所和美國國際整流器公司(IR)合資的西安愛帕克電力電子有限公司可以封裝生產IGBT模塊，該公司采用美國IR公司的封裝技術，芯片由美國IR公司提供
，主要生產設備和測試設備以及關鍵原材料從美國
、日本、德國和意大利進口。

顯然，我們仍不掌握IGBT生產的核心技術。當然，國內企業在大功率電力電子器件的研製上也取得了一些進步，除了上麵提到的西安電力電子研究所，株洲南車時代電氣公司立足IGBT應用技術
，消化吸收國外先進技術，在大功率IGBT的可靠性研究和試驗等關鍵技術上取得了突破
，為IGBT的封裝和芯片研究打下了較好的基礎。至於GTO元件，國內很多廠家都可生產，比如以上提到的南車時代電器，不過電力機車采用IGBT器件取代GTO將成為趨勢（原因見，附：IGBT用於高壓大容量的電氣傳動領域的技術優勢），國內元器件廠家要想在該領域內分享市場還需做出很大努力。

高速列車中的連接器
a.通用連接器
lingwailianjieqiyeshigaosuliechezhongyongliangjiaodadedianziyuanqijian，yeweilianjieqilingyudeyixiejishulingjunqiyetigonglejihui，biruguizhouhangtiandianqi。gaigongsishengchandelianjieqiyijingbeishenzhoufeichuanhechangeraoyuetanceweixingdenghangtianyingyongxuanyong，erqieyedaliangshiyongzaijianchuandengxuyaogaokekaoxingyaoqiudejunyongchanghe
，congjishushangyongyugaosuliecheyingyongyinggaimeiyouwenti。gaigongsizai05年就投入資金於主要為通訊、交通應用的第三代PCB印製板連接器，通訊、交通用射頻同軸連接器以及線纜組合及其他通用連接器的研發工作
，在該領域深耕多年。

b.光纖連接器
光纖是列車通信網絡的主要介質之一，采用光纖傳輸的優點是：
•抗電磁幹擾的能力強，
•可以提高傳輸頻率和擴大通信的信息量。

缺點是：
•需要有光電轉換的專門接口，連接時接口要對準
•透鏡上不能沾上灰塵

、水汽和油汙，否則會影響信號的衰減和光的傳播乃至通信失敗。

300xiliediandongchezuzaiguangxiantongxinkekaoxingfangmianzengjingyudaoguoyixiemafan，yaoqiuguangxianlianjieqidechaixiexuyouyangedefangwucuoshi。ranershijishang，youyuchexiangneideguangxianjiekouweihubijiaorongyi，qiejicheshangdonglidianlanduo
，dianciganraojiaoqiang，jicheshangdechexiangzongxianjiezhicaiyongguangxianbijiaohao。

ADtranz公司的車廂總線就采用了光纖，我國TM1機ji車che上shang的de車che廂xiang總zong線xian也ye采cai用yong了le光guang纖xian。日ri本ben的de列lie車che總zong線xian和he車che廂xiang總zong線xian也ye都dou采cai用yong光guang纖xian。光guang網wang絡luo的de應ying用yong除chu了le給gei光guang纖xian企qi業ye帶dai來lai機ji會hui，一yi些xie從cong事shi光guang無wu源yuan器qi件jian的de廠chang家jia也ye可ke以yi從cong中zhong受shou益yi
，比bi如ru中航光電公司等
，該公司可以生產係列的光無源器件，包括光纖連接器等。

本文小結
目(mu)前(qian)來(lai)看(kan)，高(gao)速(su)列(lie)車(che)使(shi)用(yong)的(de)大(da)功(gong)率(lv)電(dian)力(li)電(dian)子(zi)器(qi)件(jian)是(shi)我(wo)國(guo)電(dian)子(zi)元(yuan)器(qi)件(jian)的(de)弱(ruo)項(xiang)，國(guo)內(nei)企(qi)業(ye)想(xiang)在(zai)該(gai)領(ling)域(yu)占(zhan)據(ju)大(da)的(de)份(fen)額(e)比(bi)較(jiao)困(kun)難(nan)，而(er)如(ru)通(tong)用(yong)連(lian)接(jie)器(qi)
、光(guang)纖(xian)連(lian)接(jie)器(qi)等(deng)無(wu)源(yuan)器(qi)件(jian)，國(guo)內(nei)的(de)一(yi)些(xie)技(ji)術(shu)領(ling)先(xian)企(qi)業(ye)，尤(you)其(qi)是(shi)軍(jun)工(gong)企(qi)業(ye)有(you)望(wang)占(zhan)據(ju)一(yi)定(ding)的(de)市(shi)場(chang)份(fen)額(e)，成(cheng)為(wei)這(zhe)些(xie)企(qi)業(ye)轉(zhuan)戰(zhan)軍(jun)轉(zhuan)民(min)市(shi)場(chang)的(de)又(you)一(yi)領(ling)域(yu)。另(ling)一(yi)方(fang)麵(mian)，從(cong)事(shi)機(ji)車(che)電(dian)子(zi)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)的(de)工(gong)程(cheng)師(shi)將(jiang)在(zai)接(jie)下(xia)來(lai)的(de)幾(ji)年(nian)裏(li)恐(kong)怕(pa)會(hui)空(kong)前(qian)的(de)忙(mang)碌(lu)，一(yi)方(fang)麵(mian)由(you)高(gao)速(su)列(lie)車(che)的(de)速(su)度(du)要(yao)求(qiu)帶(dai)來(lai)的(de)電(dian)力(li)牽(qian)引(yin)動(dong)力(li)需(xu)求(qiu)會(hui)對(dui)他(ta)們(men)提(ti)出(chu)挑(tiao)戰(zhan)

，另(ling)一(yi)方(fang)麵(mian)，高(gao)速(su)列(lie)車(che)的(de)網(wang)絡(luo)通(tong)信(xin)係(xi)統(tong)、信息娛樂係統也會為從事相關行業的電子工程師開辟一個新的用武之地。

附：IGBT用於高壓大容量的電氣傳動領域的技術優勢：1) 可以進行高頻開關控製 IGBT 開關頻率到20k～50kHz，而GTO一般不過幾百赫茲，頻率提高可使係統實現低噪聲和小型化。2)通過電壓驅動，控製簡單，驅動功率小。由於IGBT 是M O S 與雙極型複合器件。它具有MOSFET 高輸入阻抗特性
，可以通過電壓驅動。而GTO的關斷門極電流可達導通電流的20%～50%。它的驅動電路需要專門設計。3)IGBT易於並聯，可做成模塊化的IPM
，以簡化裝置結構。這方麵三菱公司已有產品推出。