第53讲：HVIGBT在轨道牵引中的应用（一）-综合信息-自动化新闻网

// 讲座概述

本系列讲座旨在分享功率半导体的原理和相关应用知识，已发布的第1-30讲主要介绍了功率半导体的基础知识。从第31讲起为大家介绍HVIGBT的一系列相关知识，以帮助读者全面了解HVIGBT的工作原理、特性和正确应用方法。

1.1 轨道牵引系统的电压等级概述

电力牵引是一种以电能为动力牵引车辆前进的牵引方式。轨道车辆从架空接触网或者第三轨(输电轨)接受电能，通过车载的变流器给安装在转向架上的牵引电机供电。驱动电机将电能转换为机械能，进而驱动轮对在轨道上面运动，带动车辆前进。电力牵引的主要优点有功率大、效率高、速度快、过载能力强、运行可靠和不污染环境等。

早期的电力牵引的轨道车辆采用直流电机，随着交流电机控制理论和大功率电力电子元器件制造技术的发展，采用交流电机牵引的交流传动技术迅速崛起，使轨道车辆电力牵引技术上了一个新台阶。

轨道交通电力牵引供电制式有直流和交流两类。

直流有600V、750V、1500V、3000V等电压等级。一般DC1500V采用架空接触网供电方式，而DC750V采用第三轨供电方式。

交流电压供电网络有6.25kV, 15kV, 25kV等电压等级。电气化的供电系统由发电厂集中提供电能，经变电站，通过高压输电线(110kV)传给牵引变电所，转变为相应电压到接触网上，供给沿线运行的电力机车。

铁路牵引领域是三菱电机HVIGBT的主要应用领域之一，同时，三菱电机拥有自己的牵引变流器企业，对HVIGBT在该领域的应用有相当经验，所以我们可以为客户提供很好的支持。三菱电机有1.7kV、3.3kV、4.5kV和6.5kV的HVIGBT，满足不同电压等级的应用。

1.2 电力机车牵引变流器常用拓扑介绍

1.2.1 电力机车牵引变流器介绍

电力机车通常采用交-直-交(AC-DC-AC)变流系统，其基本拓扑如图11.1所示。AC25kV通过受电弓传送到牵引变压器，通过变压器降压后输入四象限整流器(4 Quadrant Converter，以下用4QC表示)变为直流，然后经过逆变器输出电压和频率可调的三相交流电，驱动电机运转。在图11.1所示拓扑中，整流侧为一台PWM整流器。其采取了两个HVIGBT并联的方式以加大输入功率。逆变侧为一台三相桥式逆变器驱动一台电机。直流母线上有额外的制动单元用以控制母线电压。

图11.1 电力机车常用拓扑

电力机车一般功率较大，整车功率可达7200kW或者9600kW，每轴的功率为1200kW或者1600kW。由于牵引功率大，且HVIGBT电流等级限制，一般采用HVIGBT并联的方式。但是HVIGBT并联就会带来电流不平衡的问题。为了降低电流不平衡率，同时提高变流器的可靠性，三菱电机可以依据客户需求，对并联使用的HVIGBT，根据饱和压降V_CE(sat)和续流二极管的正向压降V_EC进行配对，例如使两者的差值小于0.2V或者0.1V，以提高均流率。在HVIGBT出厂时会附带一份出厂测试报告，如图11.2所示，会注明配对使用的HVIGBT批号，以方便客户使用。