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1、IGBT器件在轨道交通车俩中的应用,2023年2月15日,中国轨道交通的发展IGBT在轨道交通中的应用市场IGBT的研制与规模化制造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10000t20000t重载单元组合列车。,一、中
2、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
3、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
4、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,中国轨道交通的发展IGBT在轨道牵引中的应用 IGBT的研究与规模化制造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
5、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,MVB,CCU,辅助变流器,TCU,ACU,WTB,二、IGBT在轨道牵引中的应用,二、IGBT在轨道牵引中的应用,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
6、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
7、、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,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）SIBACBB Sx-1500 SIBACB
8、B Sx-3000应用于DC电压1.2kv3.6kv（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。,2023年2月15日,第19页 共 页,二、IGBT在轨道牵引中的应用,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1
9、3/11/9/7/5/3。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
10、不完全统计如下表：,二、IGBT在轨道牵引中的应用,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,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。,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
11、.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
12、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10亿元左右。预计“十二五”期间将会有更大的发展。,二、IGBT在轨道牵引中的应用,需要说明的是，以上铁路和城市轨道交通的统计仅仅针对“十一五”期间新制造的车辆，不包括后续车辆维修以及原有车辆的升级改造所需要的部分，因此对大功率IGBT器件的实际需求应该会更多。,二、IGBT在轨道牵引中的应用,我国目前在轨道交通市场应用领域，商品化、规模化的IGBT制造厂家几乎还处于初级发展阶段
13、，规模化的制造能力几乎还未形成，整个IGBT市场全部由国外厂商占据，基于IGBT器件的电力电子装置中的利润大头也就由国外厂商获得。因此，如不尽快掌握IGBT器件的批量制造技术，在某些关键领域大批量应用的情况下，国外器件采购的烦琐审批程序以及长周期、高价格势必会严重阻碍我国电力电子装置，特别是铁路和城市轨道交通牵引动力设备的进一步发展。,二、IGBT在轨道牵引中的应用,针对铁路和城市轨道交通应用领域，开发高压大电流IGBT器件，掌握高压大电流IGBT器件总体设计技术、IGBT芯片及其配套用软恢复二极管设计与制造技术、IGBT器件封装与测试技术,以满足各种牵引变流器和辅助变流器的应用需求，是非常必
14、要的。,二、IGBT在轨道牵引中的应用,据统计，近几年IGBT 市场规模如图 所示。2009年中国IGBT 市场总体规模将达到36.8 亿元，较2008 年增长12.3%。未来几年随着IGBT 在节能、轨道交通、冶金等大型变频技术应用 领域的进一步扩大，中国IGBT 市场将会继续以较快的速度增长，有关统计部门预计到2011 年中国市场IGBT 产业规模达到60.2 亿元。,中国轨道交通的发展IGBT在轨道交通中的应用 IGBT的研究与规模化制造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,三、IGBT的研究与规模化制造,IGBT器件是电力电子器件发展过程中借鉴微电子工
15、艺发展而来的，是大规模集成电路技术和功率器件制造技术相结合的产物，ABB、Infineon、三菱、东芝等正是通过制造传统功率器件与大规模集成电路的双重技术的有机融合，占领了这些功率开关器件的市场制高点。在我国，大功率器件与微电子器件属于不同的行业，长期的条块分割，关注不同的应用用途，缺乏交流与协作，迫切需要以市场项目调动各方合作的积极性，加速我国大功率电力电子元器件的开发步伐，加速规模化制造能力的提升。,三、IGBT的研究与规模化制造,三、IGBT的研究与规模化制造,西安电力电子研究所,株洲时代电子,永济新时速,国内IGBT器件的检测能力严重不足，配置不尽合理。IGBT器件的静态电特性参数测试
16、、动态开关特性测试、热与机械参数测试以及电耐久性试验、稳态湿热环境试验、振动试验、热循环负载试验、电磁兼容等型式试验都需要不同的专用测试台来进行，这些专用测试台目前大多需要进口，而国内微电子企业一般不具备这些测试试验能力。国内个别电力电子器件制造企业（如株洲电力机车研究所、西安电力电子研究所等）建有先进的大功率器件检验检测中心，具备大功率晶闸管、IGCT器件全套测试试验能力，以及大功率IGBT器件的部分测试及可靠性试验能力，但是目前尚不具备高端IGBT器件的规模化制造能力,三、IGBT的研究与规模化制造,研发和产业化能力建设的经费严重不足 IGBT器件的芯片制造需要经历上百道工艺流程，在没有技
17、术积累的情况下，这些工艺流程中上千个工艺变量规律的摸索需要大量的人员、设备与经费。由于人员与经费的限制，国内研制的IGBT器件每次只能选择部分工艺变量进行试验，还有很多关键技术没有解决，制造所需要的原材料与工装的系统采购许多还没有到位，这些离产业化的要求还有相当长一段差距。,三、IGBT的研究与规模化制造,为改变这种被动局面，IGBT器件的产业发展需要国家意志和国家行为发挥作用。建议先针对轨道交通牵引所需的IGBT器件功率等级高，市场容量大的特点，由国家级 科研及应用部门组织，采用产、学、研、用一体的模式，以市场驱动为先导，同样可以通过技术引进、消化吸收、再创新的模式，组织IGBT及其他功率开关器件的产业实现规模化发展。,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驱动技术（模块化、规模化）冷却及配套设备（专业化、规模化）无感母排（设计技术、规模化）模块化设计试验检测（能力、资质与开放）,谢 谢 各 位,
