摘要:
以某时速80km的6编组A型地铁列车的永磁牵引系统为例，对全碳化硅（SiC）牵引变流器在城轨车辆中的应用进行分析研究。文章首先介绍了基于SiCMOSFET器件的全SiC牵引变流器功率模块的集成设计及整柜总体布局设计，实现了牵引变流器的高度集成化、轻量化及小型化，然后对全SiC牵引变流器开关频率提高后的脉冲宽度调制（PWM）策略进行了分析研究，最后针对全SiC牵引变流器开关频率提升带来的电压变化率（dv/dt）大、电磁干扰强及电机绝缘寿命降低等应用问题，提出了对应的解决措施，验证了全SiC牵引变流器在城轨车辆中的应用可行性与技术优势。
概述
传统硅（Si）半导体器件经过多年发展，目前已广泛应用于各种功率变换场合，Si也成为最主要的半导体器件材料。但是Si固有的一些物理属性，如带隙较窄、电子饱和漂移速度低、热导率和临界击穿电场强度较低等特点限制了其在高压、高频、高功率设备中的应用。
随着轨道交通车辆对大功率变流器的效率、功率密度提出了更高的要求，传统Si器件的劣势愈发明显。碳化硅（SiC）作为新一代宽禁带半导体材料，具有高击穿电场强度（约为Si的10倍）、高热导率（约为Si的2.5倍）和高电子饱和漂移速度（约为Si的2倍）等优异的特性。这些特性使得SiC器件更适合在高压、高温、高频条件下工作，在大功率变流器中应用时具有效率高、功率密度高等显著优势。目前，SiC器件在城轨车辆高频辅助变流器中已有较多应用案例，但在牵引变流器中的应用还在研究中。本文以某时速80km的6编组A型地铁列车的永磁牵引系统为例，对全SiC牵引变流器在城轨车辆中的应用进行研究。
2、全SiC牵引变流器设计
2.1功率模块集成
某时速80km的6编组（4动2拖）A型地铁列车的永磁牵引系统采用轴控方式，其牵引变流器主电路如图1所示。每台牵引变流器内包含2路滤波单元、2路斩波单元及4组逆变单元。4组逆变单元中共24个绝缘栅双极型晶体管（IGBT），可见永磁牵引变流器的IGBT器件数量极多。该A型地铁列车的牵引变流器采用传统Si基IGBT器件，由于器件封装尺寸较大、开关损耗较高、散热需求较高等，1个功率模块中难以集成所有IGBT器件，需将其分两组，分别集成在2个功率模块中，每个功率模块内含有1路斩波单元和2组逆变单元。
BC—电流传感器；BV—电压传感器；KM—接触器。
图1某时速80km的6编组A型地铁列车永磁牵引变流器主电路
全SiC牵引变流器采用SiCMOSFET器件。相比同等电流规格的Si基IGBT器件，SiCMOSFET器件的封装尺寸减小了约30%左右，且其低开关损耗及更耐受高温的特点，使得全SiC牵引变流器的所有开关器件均可集成在1个功率模块中。如某项目的永磁牵引变流器的4组逆变单元全部采用SiCMOSFET器件，所有的功率器件可集成在1个功率模块中。该牵引变流器的主电路如图2所示，其集成的功率模块如图3所示。
图2某全SiC永磁牵引变流器主电路
图3全SiC永磁牵引变流器功率模块
2.2、整柜布局设计
传统Si基IGBT永磁牵引变流器与全SiC永磁牵引变流器的柜内设备布局及外形尺寸对比如图4所示。全SiC永磁牵引变流器采用集成一体的功率模块，整柜布局更加紧凑，整体由高压腔室、电抗器腔室、风机腔室和功率模块腔室组成。相比传统Si基IGBT永磁牵引变流器，全SiC永磁牵引变流器实现了高度集成化、轻量化和小型化，尺寸由2100mm×2120mm×585mm（长×宽×高）变为1533mm×2126mm×520mm，其占用的面积（长×宽）减少约27%；质量由1000kg减少至850kg，减重15%。另外，根据型式试验结果，全SiC永磁牵引变流器的额定工作总效率可由95%提升至97.74%，对应牵引电机在中低速时的噪声可下降5dB以上。
图4牵引变流器整柜布局及外形尺寸对比
2.3、脉冲宽度调制（PWM）方案
SiC器件开关损耗低的特点使其更适合在高开关频率下工作。为实现牵引系统输出谐波更小，全SiC牵引系统通常采用提高变流器开关频率的方式，如某地铁项目SiC牵引变流器的开关频率提高至2000Hz。传统牵引变流器的逆变脉冲宽度调制策略通常为：异步PWM调制（低速）→同步PWM调制（中速）→方波调制（高速）。
随着全SiC牵引变流器开关频率的大幅提高，理论上PWM策略可升级为全速域异步PWM，即全速域范围均在最高开关频率2000Hz下工作，以降低中高速区域的逆变器输出谐波，然而实际应用中发现全速域异步PWM策略存在中高速区域电压利用率不足问题。如图5所示，若采用全速域异步PWM，当电机处于低速运行时，由于开关频率的提升，变流器输出谐波更小，随着电机转速的不断提高，变流器输出电压受电机控制的影响，若仍然采用全速域2000Hz的开关频率，将无法达到满电压（中高速区域电压利用率仅为90%），此时电机基波电流较大，铜耗增加。
为提升中高速区域的电压利用率，建议在中高速区域采用同步调制+方波控制策略（见图6），即低速区域采用高开关频率实现谐波降低，中高速区域进入分频控制和方波控制，可使中高速区域电压利用率达到97%以上，同时可降低开关损耗，实现系统效率最优化。
图5全速域异步PWM方案
图6PWM策略优化方案
3、应用问题及解决措施
3.1应用问题
相比传统Si基IGBT牵引变流器的开关频率（500Hz），全SiC牵引变流器的开关频率提升至2000Hz，具有降低牵引电机谐波损耗、温升和噪声等优势。但提高开关频率会导致电压变化率（dv/dt）和电流变化率（di/dt）随之增大，从而引发一系列问题，比如产生更强的电磁干扰、牵引电机绝缘系统寿命降低及电机轴承电腐蚀风险增大等。
传统Si基IGBT牵引变流器输出电压的冲击上升沿时间较长，电机端电压的尖峰系数较小。全SiC牵引变流器输出电压的冲击上升沿时间较短，dv/dt较高，电机端有较大冲击电压。通过仿真分析，两种牵引变流器的冲击电压对比如表1所示。
3.2解决措施
针对全SiC牵引变流器开关频率提升带来的问题，以下进行解决措施的分析研究。
3.2.1增加LRC滤波器
为降低牵引变流器输出的高dv/dt的影响，可考虑在逆变器输出侧增加LRC滤波器，滤波器电路如图7所示。逆变器输出侧增加LRC滤波器后，电机的dv/dt典型值可由未增加LRC滤波器之前的15kV/μs降为3～5kV/μs。但是，LRC滤波器由电感、电容、电阻等组成，体积与重量较大、功耗高，且需要散热，这使得全SiC牵引系统无法发挥其高效、轻量化优势，在实际项目应用中不作为首选方案。
3.2.2提高电机接地绝缘结构的绝缘等级
为充分发挥全SiC牵引系统的优势，建议采用无输出滤波器+高绝缘系统牵引电机方案。根据表1的仿真计算结果，并结合电老化方程，可知全SiC牵引系统的牵引电机对地绝缘结构的电气绝缘强度要求为：工频击穿电压≥31kV。因此，匹配全SiC牵引变流器的牵引电机绝缘结构的绝缘电压需由1800V提高至3600V，其击穿电压典型值为34kV，可保证绝缘可靠性。
3.2.3电磁兼容设计
针对全SiC牵引变流器开关频率提升后产生更强的电磁干扰（EMI）的问题，某地铁项目在牵引变流器输入及输出侧均加装磁环，实现对变流器电磁干扰噪声的抑制。
3.2.4电机轴承电腐蚀防控
由于逆变器输出的为PWM调制波，无法做到完全的三相平衡。由于不平衡产生的高频共模电压会在电机转轴上感应出高幅值轴电压，并形成轴电流，使电机的轴承受到损坏，缩短电机的使用寿命。目前城轨车辆项目通常采用调整牵引变流器EMI滤波电容值、优化整车接地电路方案或安装电机接地环等方式来降低电机轴电压幅值，以降低轴承电腐蚀风险。
全SiC牵引变流器开关频率提升后，感应出的电机轴电压频率也会随之提高，在相同幅值情况下，电机轴承发生电腐蚀的风险更高，对此在以往规避措施的基础上需进一步采取预防措施，主要考虑以下几个方面：
1、优先选型绝缘层更厚的聚苯硫醚（PPS）树脂轴承，其比传统陶瓷轴承的交流阻抗特性更高。
如表2所示，全SiC牵引变流器采用PPS树脂轴承方案，当轴电压频率由160kHz（既有项目实测典型频率值）提高至640kHz时，其绝缘性能仍与传统Si基IGBT牵引变流器的陶瓷轴承绝缘性能相当。
2、预留轴电压测试接口，并设计轴电压测试工装。在车辆试制阶段对轴电压进行测试，若有轴电压偏高情况，及时研究解决方案。
3、预留接地碳刷安装接口，根据轴电压测试情况，可考虑加装电机轴承接地碳刷。
3.3试验验证
根据牵引电机型式试验，绝缘提升后，电机的绝缘电阻值测试结果如表3所示，绝缘耐压试验结果如表4所示。
根据表3及表4的电机绝缘阻值测试及绝缘耐压试验结果，验证了牵引电机绝缘提升后的绝缘性能，可确保其在全SiC牵引变流器供电下的绝缘可靠性。牵引变流器的对外EMI噪声及牵引电机轴电压试验暂未进行，后续将按计划进行试验验证。
4、结束语
本文通过对比SiC器件与Si器件的性能差异，系统研究了全SiC牵引变流器在城轨车辆中的应用可行性。基于SiCMOSFET器件的永磁牵引变流器通过高度集成化设计，可使变流器占用面积减少约27%，质量减轻15%。为了降低电机谐波损耗及电机噪声，将全SiC牵引变流器的开关频率提高至2kHz。通过对电机控制的PWM策略进行分析，建议在中高速区域采用同步调制与方波控制相结合的PWM策略，可在降低低速区域谐波损耗的同时，保证中高速区域的电压利用率。针对开关频率提升带来的高dv/dt、电磁干扰及电机轴承电腐蚀风险等应用问题，通过提高电机绝缘等级、在变流器输入及输出侧增设磁环、预留轴电压测试接口及安装接地碳刷等措施，可有效解决上述问题。
如您对我们的产品感兴趣，欢迎联系咨询电话：135 1009 9916（微信同号）
想了解更多关于碳化硅功率器件产品知识 请查看碳化硅课堂
