IGBT在中国轨道交通车辆中的应用-20100821-第四讲-2

IGBT器件在轨道交通车俩中的应用2020年2月14日一．中国轨道交通的发展二．IGBT在轨道交通中的应用市场三．IGBT的研制与规模化制造四．IGBT功率模块配套技术的开发IGBT器件在轨道交通运输中的应用1、铁路运输2004年1月，国务院批准了中国铁路历史上第一个《中长期铁路网规划》。在“十一五”期间，将建成7000公里客运专线。2008年11月颁布了《中长期铁路网规划（调整）》，到2020年，全国铁路营业里程将达到12万公里以上，复线率和电气化率均分别达到50%和60%，建成高速铁路16000公里，在十个煤炭外运基地及新疆地区建成大能力的煤运通道，开行10000t～20000t重载单元组合列车。一、中国轨道交通的发展为实现上述规划目标，铁道部按照“引进先进技术，联合设计生产，打造中国品牌”的总体要求和“先进、成熟、经济、适用、可靠”的技术引进方针，坚持自主创新，联合设计制造出运营时速200-250公里和运营时速300-350公里的高速动车组、货运大功率交流传动电力及内燃机车。2007年，国产运营时速200-250公里高速动车组首次批量下线，HXD1型、HXD2型、HXD3型和谐号大功率交流传动电力机车首次投入运营，成功运用于铁路第六次大面积提速。2008年，国产运营时速300-350公里高速动车组成功下线，并于北京奥运会期间在京津城际铁路投入运营。一、中国轨道交通的发展2008年，国产运营时速300-350公里高速动车组成功下线，并于北京奥运会期间在京津城际铁路投入运营。一、中国轨道交通的发展2008年4月18日，举世瞩目的京沪高速铁路全线开工，这是世界上一次建成线路最长、标准最高的高速铁路，也是新中国成立以来一次投资规模最大的建设项目。其中，用于高速动车组的首期投资近400亿元，新一代京沪高速动车组的持续运营时速将达到380公里。建设京沪高速铁路对解决我国交通运输能力供给不足的矛盾，推动我国铁路科技创新和国民经济又好又快的发展具有重大意义。按照中长期铁路网规划和目前铁路建设、技术装备现代化的速度，到2012年，全国将有800列高速动车组投入使用。一、中国轨道交通的发展2、城市轨道交通据有关资料介绍，到2015年，将有超过30个城市建设85条城市轨道线路，总长2700公里以上，需车辆20000辆，预计未来五年内主要城轨车辆的需求约为5000-6000辆；到2020年，北京、上海、广州、南京、天津、深圳、成都、沈阳、哈尔滨、青岛等城市将建成、通车的线路总计40多条，约6000km，总投资在7000亿元以上。一、中国轨道交通的发展一．中国轨道交通的发展二．IGBT在轨道牵引中的应用三．IGBT的研究与规模化制造四．IGBT功率模块配套技术的开发IGBT器件在中国轨道交通运输中的应用二、IGBT在轨道牵引中的应用动车组牵引动力配置交流传动技术是现代轨道交通技术装备的核心技术之一。在交流传动系统中，牵引变流器是关键部件，而电力电子器件又是牵引变流器最核心的器件之一。“一代器件带动一代应用”。目前，IGBT（绝缘栅级双极型晶体管）器件已成为轨道交通车辆牵引变流器和各种辅助变流器的主流电力电子器件。二、IGBT在轨道牵引中的应用1、铁路市场中的需求动车组牵引系统组成牵引变流器齿轮箱牵引电机牵引变压器MVBCCU辅助变流器TCUACUWTB二、IGBT在轨道牵引中的应用二、IGBT在轨道牵引中的应用HXD3HXD1HXD2CRH2CRH1CRH5CRH3牵引变流器输入电压1450V970V900V1500V900V1770V1550V牵引变流器输入电流927A1510A1660A857A650A540A910A中间回路电压2800V1800V1800V3000V1650V27000－3600V2700－3600V牵引变流器输出电压2150V1285V1390V1475V1287V2808V1700V牵引变流器输出电流380A1628A620A857A650A459.4A880A开关器件IGBT4.5kV/900AIGBT3.3kV/1.2kAIGBT3.3kV/1.2kAIPM/IGBT3300V/1.2kAIGBT3.3kV/1.2kAIGBT6.5kV/600AIGBT6.5kV/600A交流传动机车及动车组变流器参数二、IGBT在轨道牵引中的应用铁路和城市轨道车辆用牵引变流器所需的IGBT器件较其他工业变流器用IGBT器件具有更高的要求，具体有如下几方面：(1)功率要求更高，因需要在有限的空间发挥很大的牵引功率，要求更高的功率密度；(2)要实现制动能量的回馈，IGBT内反并联二极管要求更大的容量；(3)车载运行环境相对地面静止环境在温度、振动、冲击、灰尘等诸多方面更加严格；(4)牵引系统特殊的负荷特性。二、IGBT在轨道牵引中的应用鉴于IGBT对交流传动技术的巨大促进作用，西门子、庞巴迪、阿尔斯通、三菱等拥有先进交流传动系统技术的国外公司都有紧密的IGBT制造企业为之配套，它们投入大量资金，有效组织电力电子和微电子业界的专门人才进行联合开发，一直占据着高压大电流IGBT器件研发的制高点。二、IGBT在轨道牵引中的应用随着应用的发展，IGBT技术的发展重点转到模块技术上来。IGBT模块多以超大功率IGBT模块与IGBT-IPM智能功率模块为主。IGBT-IPM是以IGBT芯片为基体，内含接口、传感、保护和功率控制等功能电路的智能功率模块。在轨道交通牵引应用领域中，经过市场的磨合，IGBT模块的主要厂商集中到Infineon、MITSUBISHI、ABB与TOSHIBA上。下表为几种常用轨道交通牵引IGBT模块的应用情况。二、IGBT在轨道牵引中的应用电压定额电流定额制造厂家型号应用领域应用实例1200V300AABB5SNS0300U120100辅助变流器InfineonBSM300GA120DN2S1700V1600AABB5SNA1600N170100DC750供电的地铁、轻轨北京地铁MITSUBISHICM1600HC-34HInfineonFZ1600R17KE3_B22400AABB5SNA2400E170100MITSUBISHICM2400HC-34NInfineonFZ2400R17KE3_B23300V800AABB5SNA0800N330100DC1500供电的地铁、轻轨及机车领域上海地铁等MITSUBISHICM800HC-66HInfineonFZ800R33KL2C_B5TOSHIBAMG800FXF1US531200AABB5SNA1200E330100DC1500供电的地铁、轻轨及中间电压为DC1800V机车、动车领域CHR2动车组、HXD1大功率机车MITSUBISHICM1200HG-66HInfineonFZ1200R33KL2C_B5TOSHIBAST1200FXF224500V900AMITSUBISHICM900HB-90H中间电压为DC2500V的机车、动车领域HXD3大功率机车TOSHIBAMG900GXH1US53WESTCODET0900EA45A6500V600AABB、Infineon5SNA0600G650100中间电压为DC3500V的机车、动车领域HXD2大功率机车、CRH3动车组二、IGBT在轨道牵引中的应用西门子在机车及动车组中应用的模块化功率单元（水冷）SIBAC@BBSx-1500SIBAC@BBSx-3000应用于DC电压1.2kv～3.6kv（max4.3kv）相电流300A～2000A最高开关频率可达800～1000Hz二、IGBT在轨道牵引中的应用ALSTOM6500V-600A模块化的功率单元，开关频率可达1000Hz。2020年2月14日第19页共页二、IGBT在轨道牵引中的应用btff/bf460Hz×15×13×11×9×7×5×3×1异步调制同步调制方波调制列车启动时，调制比小、脉宽很窄，采用更低开关频率150Hz。加速至6.2km/h时，开始增加开关频率。当车速9km/h、同步频率为5.8Hz时，进入异步调制区，开关频率固定保持为460Hz。当加速至49km/h，同步频率26Hz时，进入同步调制区域，载频比从15开始，依次变化为13/11/9/7/5/3。当车速为222km/h，同步频率120Hz时，由3脉波切换为方波调制方式。列车最高运行速度350km/h时同步频率190Hz。一般情况下牵引变流器的开关频率最高约600Hz二、IGBT在轨道牵引中的应用面临当前铁路运输能力严重不足和技术装备水平差的现状，铁道部本着采用“先进、成熟、经济、适用、可靠”的技术方针，按照“标准化、系列化、模块化、信息化”的要求，立足国产化，引进先进技术，联合设计生产，打造中国品牌，加强对引进技术的消化吸收和再创新，增强自主创新能力，加快推进技术装备现代化。当前引进的大功率交流传动机车和高速动车组中，牵引变流器主要采用大功率IGBT，据不完全统计如下表：二、IGBT在轨道牵引中的应用机车型号HXD1（HXD1C）HXD2HXD3/D3CHXN3HXN5六轴9600kW货运机车大连厂大同厂株洲厂IGBT等级3300V/1200A3300V/1200A4500V/900A4500V/1200A2400V/2200A4500V/900A6500V/600A6500V/600AIGBT数量（个/台）88（96）80662436909088机车数量（台）220（990）1801430300300500500500IGBT总量（个）114400144009438072001080045006120044000交流传动机车IGBT器件等级及数量二、IGBT在轨道牵引中的应用动车组型号200km/h等级300km/h等级CRH1CRH2CRH5CRH3CRH2IGBT等级3300V/1200A3300V/1200A6500V/600A6500V/600A3300V/1200AIGBT数量（个/列）8080150128100动车组数量（列）10010080235100IGBT总量（个）80008000120003008010000电动车组IGBT器件等级及数量二、IGBT在轨道牵引中的应用从以上两表可以看出，3300V/1200A、4500V/900A、6500V/600A等级为IGBT器件的主流产品，分别占总量的33％、33％、28％，合计占总量的94％。108001548001539007200846013108002000040000600008000010000012000014000016000012400V/1200A3300V/1200A4500V/900A4500V/1200A6500V/400A6500V/600A二、IGBT在轨道牵引中的应用北京、上海、广州、深圳、南京等多个城市计划在“十一五”期间新建城市轨道交通线路1400多公里，总投资达五千多亿元人民币。2、城市轨道交通市场需求二、IGBT在轨道牵引中的应用以北京城铁13号线为例，该线路全长40.85公里，共配备52列，每列目前编组为2M2T，远期将改造为3M3T。该车采用架控方式，即一个变流器控制一个转向架上的两台电机，每个动车有两个变流器。变流器开关器件采用1700V/1200A等级的IGBT，由于是车载限压斩波器，所以每个主变流器共有7个IGBT。二、IGBT在轨道牵引中的应用广州地铁3号线全长36.33公里，共配备40列，每列目前编组为2M1T三节车厢编组，远期将改造为4M2T，该线路最高速度为120km/h。动车同样采用架控方式，由于接触网电压为DC1500V，因此变流器开关器件采用3300V/1200A等级的IGBT，每个主变流器共有7个IGBT。二、IGBT在轨道牵引中的应用以上两种型号作为DC750V和DC1500V供电地铁车辆应用的典型代表，根据上面的数据，按照单位线路所需要的车辆可以估算出我国城市轨道交通在“十一五”期间对大功率IGBT器件的需求大约为15万个，估计总值10