中心議題
- 高速機(jī)車對電力電子器件的需求
- 電力電子器件的最新發(fā)展趨勢
- 高速列車電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)師需要注意的問題
解決方案
- IGBT在交-直-交變流傳動系統(tǒng)中應(yīng)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(jī)車
- 工程師設(shè)計(jì)時(shí)要注意到高速機(jī)車對電子系統(tǒng)的特殊要求
四萬億已經(jīng)成為最近一段時(shí)間的流行語，這四萬億投資中很大一部分將流入高速鐵路建設(shè)領(lǐng)域，電子行業(yè)作為現(xiàn)代工業(yè)的基礎(chǔ)保障性行業(yè)，自然不會缺席這場規(guī)模空前投資盛宴，建設(shè)高速鐵路，需要現(xiàn)代化的路網(wǎng)指揮系統(tǒng)、現(xiàn)代化的高速機(jī)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(guān)的元器件企業(yè)提供了市場機(jī)會；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(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。
高速列車對電力電子器件的要求
在高速鐵路建設(shè)拉動的三大行業(yè)(鋼鐵、工程機(jī)械、機(jī)車)中，無疑機(jī)車行業(yè)和電子元器件企業(yè)關(guān)系最大，高速列車電傳動系統(tǒng)是高速列車的核心系統(tǒng)之一，而該系統(tǒng)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(diào)速奠定了基礎(chǔ)。
高速列車要達(dá)到高速運(yùn)行，必須具有大功率的牽引系統(tǒng)。如果列車行車速度要達(dá)到每小時(shí)300公里以上，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，通常只有用電力牽引才能獲得。機(jī)車從電網(wǎng)獲得電能(或?qū)C(jī)車發(fā)動機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能)，然后通過變流器調(diào)節(jié)該電能的電壓、頻率等實(shí)現(xiàn)電動機(jī)調(diào)速，帶動列車輪對旋轉(zhuǎn)使列車前進(jìn)。
電傳動系統(tǒng)一般分為"交-直"和"交-直-交"等類型。"交-直"電傳動是將機(jī)車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(diào)的直流電，供給直流電機(jī)牽引列車，通過改變電壓實(shí)現(xiàn)變速。但由于直流牽引電動機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)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。
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(diào)的三相交流電，供給三相交流電動機(jī)，驅(qū)動列車。當(dāng)今高速列車都采用"交-直-交"電傳動方式，因它具有一系列優(yōu)點(diǎn):可實(shí)現(xiàn)大功率、交流電機(jī)重量輕、少維修、利于輪軌粘著、易實(shí)現(xiàn)再生制動等，這些都是高速列車希望獲得的性能。如再生制動能將高速列車巨大的動能通過電動機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)工況運(yùn)行，使列車動能被利用，重新轉(zhuǎn)化為電能，反饋回電網(wǎng)，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。尤其是當(dāng)前"交-直-交"變流及逆變器元件發(fā)展迅速，十幾年來從可控硅晶閘管發(fā)展到大電流門極可關(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(jī)車控制等得到進(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(yīng)用于高速列車交流調(diào)速的智能功率模塊IPM采用IGBT作為功率開關(guān)，該模塊含有電流傳感器、驅(qū)動電路及過載、短路、超溫、欠壓保護(hù)電路等，實(shí)現(xiàn)了信號處理、故障診斷、自我保護(hù)等多種功能，它具有體積小、重量輕、可靠性高、使用維護(hù)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(jì)70年代的GTO元件，更是已經(jīng)被廣泛用于目前的高速列車中。
元器件選型和系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)
高速列車的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一門專門的學(xué)問，相應(yīng)的工程師在選擇相應(yīng)器件和進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要注意以下問題：
•需要根據(jù)所需的牽引功率選擇滿足要求的功率器件
•需要認(rèn)真地考慮元器件的使用環(huán)境，包括震動、溫度、濕度等
•機(jī)車上動力電纜多，電磁干擾較強(qiáng)，需要注意系統(tǒng)的EMI和EMC問題
•機(jī)車使用環(huán)境要求高可靠性，需要選擇滿足工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的電子元器件
•為了實(shí)現(xiàn)高可靠性，需要特別注意電路保護(hù)設(shè)計(jì)和設(shè)置必要的系統(tǒng)冗余
•在元器件選擇和系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮到機(jī)車進(jìn)一步升級換代的需要
國內(nèi)大功率電力電子元件的發(fā)展現(xiàn)狀
遺憾的是，作為目前我國尚不能制造的高速列車部件(車輪、車軸、IGBT)中的一種，我國的國內(nèi)企業(yè)還沒有一家可以完全生產(chǎn)IGBT,目前國內(nèi)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(shè)備和測試設(shè)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?nèi)圆徽莆誌GBT生產(chǎn)的核心技術(shù)。當(dāng)然，國內(nèi)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，株洲南車時(shí)代電氣公司立足IGBT應(yīng)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(yàn)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(chǔ)。至于GTO元件，國內(nèi)很多廠家都可生產(chǎn)，比如以上提到的南車時(shí)代電器，不過電力機(jī)車采用IGBT器件取代GTO將成為趨勢（原因見，附：IGBT用于高壓大容量的電氣傳動領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢），國內(nèi)元器件廠家要想在該領(lǐng)域內(nèi)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
另外連接器也是高速列車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(jī)會，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(wèi)星等航天應(yīng)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合，從技術(shù)上用于高速列車應(yīng)用應(yīng)該沒有問題。該公司在05年就投入資金于主要為通訊、交通應(yīng)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
光纖是列車通信網(wǎng)絡(luò)的主要介質(zhì)之一，采用光纖傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)是：
•抗電磁干擾的能力強(qiáng)，
•可以提高傳輸頻率和擴(kuò)大通信的信息量。
缺點(diǎn)是：
•需要有光電轉(zhuǎn)換的專門接口，連接時(shí)接口要對準(zhǔn)
•透鏡上不能沾上灰塵、水汽和油污，否則會影響信號的衰減和光的傳播乃至通信失敗。
300系列電動車組在光纖通信可靠性方面曾經(jīng)遇到過一些麻煩，要求光纖連接器的拆卸須有嚴(yán)格的防污措施。然而實(shí)際上，由于車廂內(nèi)的光纖接口維護(hù)比較容易，且機(jī)車上動力電纜多，電磁干擾較強(qiáng)，機(jī)車上的車廂總線介質(zhì)采用光纖比較好。
ADtranz公司的車廂總線就采用了光纖，我國TM1機(jī)車上的車廂總線也采用了光纖。日本的列車總線和車廂總線也都采用光纖。光網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用除了給光纖企業(yè)帶來機(jī)會，一些從事光無源器件的廠家也可以從中受益，比如中航光電公司等，該公司可以生產(chǎn)系列的光無源器件，包括光纖連接器等。
本文小結(jié)
目前來看，高速列車使用的大功率電力電子器件是我國電子元器件的弱項(xiàng)，國內(nèi)企業(yè)想在該領(lǐng)域占據(jù)大的份額比較困難，而如通用連接器、光纖連接器等無源器件，國內(nèi)的一些技術(shù)領(lǐng)先企業(yè)，尤其是軍工企業(yè)有望占據(jù)一定的市場份額，成為這些企業(yè)轉(zhuǎn)戰(zhàn)軍轉(zhuǎn)民市場的又一領(lǐng)域。另一方面，從事機(jī)車電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工程師將在接下來的幾年里恐怕會空前的忙碌，一方面由高速列車的速度要求帶來的電力牽引動力需求會對他們提出挑戰(zhàn)，另一方面，高速列車的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、信息娛樂系統(tǒng)也會為從事相關(guān)行業(yè)的電子工程師開辟一個(gè)新的用武之地。
附：IGBT用于高壓大容量的電氣傳動領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢：1) 可以進(jìn)行高頻開關(guān)控制 IGBT 開關(guān)頻率到20k～50kHz，而GTO一般不過幾百赫茲，頻率提高可使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)低噪聲和小型化。2)通過電壓驅(qū)動，控制簡單，驅(qū)動功率小。由于IGBT 是M O S 與雙極型復(fù)合器件。它具有MOSFET 高輸入阻抗特性，可以通過電壓驅(qū)動。而GTO的關(guān)斷門極電流可達(dá)導(dǎo)通電流的20%～50%。它的驅(qū)動電路需要專門設(shè)計(jì)。3)IGBT易于并聯(lián)，可做成模塊化的IPM，以簡化裝置結(jié)構(gòu)。這方面三菱公司已有產(chǎn)品推出。
