中心議題
- 高速機(jī)車對(duì)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(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛
- 一些軍工企業(yè)的工業(yè)級(jí)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(duì)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(huì)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(huì)；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(duì)電力電子器件的要求
在高速鐵路建設(shè)拉動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)調(diào)速，帶動(dòng)列車輪對(duì)旋轉(zhuǎn)使列車前進(jìn)。
電傳動(dòng)系統(tǒng)一般分為"交-直"和"交-直-交"等類型。"交-直"電傳動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)列車。當(dāng)今高速列車都采用"交-直-交"電傳動(dòng)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(dòng)等，這些都是高速列車希望獲得的性能。如再生制動(dòng)能將高速列車巨大的動(dòng)能通過電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)工況運(yùn)行，使列車動(dòng)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(dòng)電路及過載、短路、超溫、欠壓保護(hù)電路等，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)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(dòng)、溫度、濕度等
•機(jī)車上動(dòng)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(jí)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(dòng)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(huì)，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(duì)準(zhǔn)
•透鏡上不能沾上灰塵、水汽和油污，否則會(huì)影響信號(hào)的衰減和光的傳播乃至通信失敗。
300系列電動(dòng)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(dòng)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(huì)，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(huì)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(dòng)力需求會(huì)對(duì)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(huì)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(dòng)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(dòng)，控制簡單，驅(qū)動(dòng)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(dòng)。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(dòng)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。
