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采用SiC功率模块的铁路牵引变流系统

发布日期:2021-08-13 浏览次数:1321 来源:三菱电机半导体作者:网络
 1.引言
1997年京都议定书通过后,各种应对全球变暖的措施得到了推广。2018年,联合国通过的可持续发展目标(SDGs)从更广阔的角度来缓解社会问题。在这样的情况下,三菱电机集团通过在铁路行业不断发展新技术来构建可持续、安全可靠、舒适和富裕的社会。

为了提高能源利用率,2012年2月,东京地铁1号线率先安装了采用混合SiC功率模块的牵引逆变器并评估了其性能表现。此混合SiC模块采用Si IGBT和SiC二极管。从那时开始,三菱电机在日本国内和海外的牵引变流器上应用了很多SiC技术。

SiC功率模块能有效降低主功率回路的能耗,例如扩展能量再生制动范围以及采用高频技术降低电机损耗。2016年2月,我们开发的驱动控制系统,率先采用全SiC功率模块,获得了日本产业经济省(METI)颁发的优秀节能器件奖。此全SiC功率模块采用SiC MOSFET和SiC二极管。

 

为可持续发展目标作出贡献,我们开发了更小更轻的牵引逆变系统,采用了最新的SiC功率模块,可以灵活地满足客户对主电路系统的要求。

 

近来推出的新一代业界标准封装的LV100功率模块,适合并联应用。很多厂商已经开发了LV100 硅功率模块,三菱电机在业内率先推出LV100封装全SiC功率模块。相比Si功率模块,全SiC功率模块损耗大概降低80%,能有效降低主电路功率损耗。而且,新封装的应用减小了变流器尺寸和重量,可以根据各种轨道车辆牵引变流系统的配置和容量选择最佳设计。

 

本文介绍了采用最新SiC功率模块的铁路车辆牵引变流系统的优点及其在实际运行中的节能效果。


 

2.采用LV100封装全SiC模块

牵引逆变系统

 

2.1  牵引逆变系统

表1列出了采用LV100封装全SiC模块的牵引逆变系统主要参数,图1为其外观,日本常规线路系统,也即一个牵引逆变器驱动四个并联的220kW感应电机。


表1 采用LV100封装全SiC模块的牵引逆变系统主要参数



图1 采用LV100封装全SiC模块的牵引逆变系统

牵引逆变器包含制动电路、功率单元和栅极驱动器。LV100封装可以使散热器更加紧凑、组件的功率密度更高(例如配套SiC器件的滤波电容和叠层母排)。相对传统的Si功率模块,采用SiC功率模块使逆变系统体积减小60%,重量降低50%。

 

2.2  LV100封装全SiC功率模块的优势

图2为LV100封装全SiC模块的内部电路图及外观,内部为一个半桥电路,可以组成两电平逆变器的一个桥臂。Si功率模块由Si IGBT和Si二极管组成,而全SiC功率模块由SiC MOSFET和SiC SBD组成。


(a)电路图   

(b)外观
图2 LV100封装全SiC模块

同样的LV100封装,除了全SiC器件,三菱电机也推出了Si和混合SiC器件,客户可以根据铁路车辆的规格选择最合适的功率器件。


LV100封装的端子排布方便器件并联,有利于客户根据铁路车辆功率等级选择不同的并联个数。


表2展示了LV100封装Si功率模块和全SiC功率模块的主要参数对比。相对于Si器件,SiC功率模块额定电流增大25%,最大工作结温提高16%,并且开关损耗降低80%。如果驱动相同功率的电机,SiC器件所需并联的个数更少。


表2 LV100功率模块主要参数

 


 

3.小田急5000型列车应用

重新改造的1000型列车在2014年开始在小田急线路上运营,此重新改造的1000型列车首次装载了三菱电机3.3kV全SiC功率模块,得到了良好的节能效果。在2016年2月,得到了日本产业经济省和小田急颁发的优秀节能器件奖。


如第2章所述,2019年,小田急5000型列车装载了应用LV100封装全SiC功率模块的牵引逆变器。本章节主要介绍全SiC功率模块在小田急5000型列车的应用。


3.1 牵引逆变系统参数

表3列出了5000型和改制1000型的参数对比。5000型列车含有10节车厢(5M5T),与改制1000型相同,这些新生产的产品系列会替代8000型以及其它车型。如图3所示主电路拓扑,一个变压变频(VVVF)牵引逆变器驱动四个电机。


图4显示了VVVF牵引逆变系统的外观,5000型牵引逆变系统更小更轻,与改制1000型相比,体积减小大约30%,重量减小大约20%。

 

表3 小田急铁路车辆主要参数

 


图3 小田急5000型主电路

 


图4 小田急5000型VVVF逆变器外观

 

3.2 主线路运行结果

三菱电机进行了5000型列车在小田急线路上的性能确认测试。图5显示逆变模式测试图,图6为制动模式测试图。三菱电机根据列车在逆变和制动工况下测试结果来评估其性能,包括全SiC模块逆变系统的噪音等。采用全SiC模块逆变器能够降低噪声,为乘客提供更高的舒适性。

 


图5 逆变模式测试图

 


图6  制动模式测试图

 

表4列出了线路上运行的5000型和改制1000型能耗分析。尽管运行工况不同,但是两者的能耗接近,5000型的吨公里能耗为0.0241kW•h,改制1000型的吨公里能耗为0.0232kW•h。这些数据表明5000型车辆与改制1000型车辆节能效果相当,相对于之前的GTO器件,大约节能40%。

 

表4 5000型和改制1000型能耗分析(kW•h)

 


 

4.结论

本文描述了采用LV100封装全SiC功率模块的5000型小田急列车的优势。


全球各企业都应该参与到可持续发展目标中来,轨道牵引系统应该减小对环境的影响并尽量节能。在半导体器件和电力电子领域,新技术不断发展,将会开发出更加节能的电气系统。


作为率先将全SiC功率模块应用在铁路车辆的厂商,三菱电机将持续开发并提供节能的产品,从而减小对环境的影响。

参考文献
[1] N. Ubukata., et al.: Energy-saving Operation of Inverter Systems with SiC Power Modules for Railway Vehicles, National Conference of the institute of Electrical Engineers of Japan, No.5-078(2012).
[2] Y.Nakayama., et al.: Evaluation of Driving Motors for Railway Vehicles by Inverters with SiC-SBDs, ational Conference of the institute of Electrical Engineers of Japan, No.4-139(2010).
[3] Y.Yamashita.: Development of Inverter Systems with SiC Power Modules for Railway Vehicles, Railway Vehicle Industry, No.462(2012).

 

[4] T.Negishi., et al.: 3.3kV Full SiC Power Module, Mitsubishi Denki Giho, 93, No.3, 175-178(2018).
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