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(fā)展趨勢
- 高速列車電子系統(tǒng)設計師需要注意的問題
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
- 工程師設計時要注意到高速機車對電子系統(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領域，電子行業(yè)作為現(xiàn)代工業(yè)的基礎保障性行業(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(yè)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系統(tǒng)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(yè)(鋼鐵、工程機械、機車)中，無疑機車行業(yè)和電子元器件企業(yè)關系最大，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，它為交流調速奠定了基礎。
高速列車要達到高速運行，必須具有大功率的牽引系統(tǒng)。如果列車行車速度要達到每小時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。機車從電網(wǎng)獲得電能(或將機車發(fā)動機的機械能轉變成電能)，然后通過變流器調節(jié)該電能的電壓、頻率等實現(xiàn)電動機調速，帶動列車輪對旋轉使列車前進。
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的直流電，供給直流電機牽引列車，通過改變電壓實現(xiàn)變速。但由于直流牽引電動機結構復雜，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。
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，供給三相交流電動機，驅動列車。當今高速列車都采用"交-直-交"電傳動方式，因它具有一系列優(yōu)點:可實現(xiàn)大功率、交流電機重量輕、少維修、利于輪軌粘著、易實現(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轉變?yōu)榘l(fā)電機工況運行，使列車動能被利用，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，十幾年來從可控硅晶閘管發(fā)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制等得到進一步改善。
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(fā)展，其中應用于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(xiàn)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，將被廣泛用于牽引領域。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中。
元器件選型和系統(tǒng)設計要點
高速列車的電子系統(tǒng)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系統(tǒng)設計時要注意以下問題：
•需要根據(jù)所需的牽引功率選擇滿足要求的功率器件
•需要認真地考慮元器件的使用環(huán)境，包括震動、溫度、濕度等
•機車上動力電纜多，電磁干擾較強，需要注意系統(tǒng)的EMI和EMC問題
•機車使用環(huán)境要求高可靠性，需要選擇滿足工業(yè)標準的電子元器件
•為了實現(xiàn)高可靠性，需要特別注意電路保護設計和設置必要的系統(tǒng)冗余
•在元器件選擇和系統(tǒng)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(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，我國的國內企業(yè)還沒有一家可以完全生產IGBT,目前國內只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(yè)在大功率電力電子器件的研制上也取得了一些進步，除了上面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。至于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用于高壓大容量的電氣傳動領域的技術優(yōu)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
另外連接器也是高速列車中用量較大的電子元器件，也為連接器領域的一些技術領軍企業(yè)提供了機會，比如貴州航天電器。該公司生產的連接器已經(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，從技術上用于高速列車應用應該沒有問題。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，在該領域深耕多年。
b.光纖連接器
光纖是列車通信網(wǎng)絡的主要介質之一，采用光纖傳輸?shù)膬?yōu)點是：
•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格的防污措施。然而實際上，由于車廂內的光纖接口維護比較容易，且機車上動力電纜多，電磁干擾較強，機車上的車廂總線介質采用光纖比較好。
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)絡的應用除了給光纖企業(yè)帶來機會，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，該公司可以生產系列的光無源器件，包括光纖連接器等。
本文小結
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，國內企業(yè)想在該領域占據(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，國內的一些技術領先企業(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)轉戰(zhàn)軍轉民市場的又一領域。另一方面，從事機車電子系統(tǒng)設計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)絡通信系統(tǒng)、信息娛樂系統(tǒng)也會為從事相關行業(yè)的電子工程師開辟一個新的用武之地。
附：IGBT用于高壓大容量的電氣傳動領域的技術優(yōu)勢：1) 可以進行高頻開關控制 IGBT 開關頻率到20k～50kHz，而GTO一般不過幾百赫茲，頻率提高可使系統(tǒng)實現(xiàn)低噪聲和小型化。2)通過電壓驅動，控制簡單，驅動功率小。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易于并聯(lián)，可做成模塊化的IPM，以簡化裝置結構。這方面三菱公司已有產品推出。
