电力电子器件是电力机车发展的促进因素

背景

众所周知，用作铁路牵引的动力，最早出现的是蒸汽机车，随后逐渐被内燃机车和电力机车所取代。大功率硅整流技术的出现，使电传动内燃机车和电力机车的传动型式从直—直传动(直流发电机或直流供电→直流电动机)，很自然地被更优越的交—直传动(交流发电机或交流供电→硅整流→直流电动机)所取代;随着大功率的晶闸管特别是大功率可关断晶闸管(GTO)的出现和微机控制技术等的发展，20世纪70年代以后出现的交—直—交传动(交流发电机或交流供电→硅整流→逆变器→交流电动机)，即所谓的交流传动，又很自然地取代了交—直传动。这种技术进步，无不是电力电子器件应用于铁路牵引领域后所促成的。

我国电力机车的发展概况

我国从1958年至今的40多年来，电力机车的研究、生产经历了起步期(50年代末～70年代末)、成长期(70年代末～80年代末)、发展期(80年代末～90年代末)和技术突破期(90年代末至今)等4个阶段，车型也从第一代发展到第四代。目前我国已形成了4、6、8轴的韶山型系列电力机车型谱。至2002年底，我国铁路机车保有量达15153台，其中电力机车为4299台。

我国各代电力机车的代表机型

近几年来我国电力机车快速发展与演变主要是致力于加快技术进步、大幅提高机车功率和机车最高运行速度而取得的。以AC4000交流传动电力机车的研制为始点，保留现有机车在行走、机械部分的特点，结合交流传动技术，逐步发展与完善交流传动机车是下一阶段我国电力机车发展的方向。单轴功率1000kW～1200kW的货运机车，1200kW～1400kW的客运机车可望较快实现。

我国引进的电力机车6K、8K、8G等，对我国干线电力机车研制、生产起了巨大的推动作用。学习借鉴、消化吸收国外机车的先进技术，才能使我国的电力机车技术水平有跨越式的提高，才可能突破当代铁路机车三大高科技技术：交流传动技术、微机控制技术和径向可调节转向架技术(径向自导向轮对)。

值得一提的是，我国目前已有3种交流传动动车组投入运营。广深线(广州—深圳)有“蓝箭号”及“先锋号”，构造速度均为200km/h。郑武线(郑州—武汉)有“中原之星”，构造速度为160km/h。而即将投入北京—秦皇岛客运专线运营的“中华之星”，在2002年11月创下了被誉为“神州第一速”———321.5km/h的中国铁路最高速度记录。

电力机车是否先进主要有3个标志，单轴功率达1600kW;交流传动采用GTO、IGBT、IPM逆变器;机车控制及自动诊断采用32位CPU。高速列车最高行驶速度在法国、西班牙已达350km/h。2001年5月26日法国曾创出306.36km/h的高速列车旅行速度新记录。而我国即使有所突破的交流传动，逆变器所采用的电力电子器件也仅是进口的GTO管。此外，各种车载组件，如机车自动驾驶装置、机车车辆工况自动检测装置、列车运行自动控制系统中与之配套的车载装置、重载列车多机牵引的Locotrol装置等方面，与国外仍存在较大差距。

电力电子器件在机车牵引领域的应用

近年来电力电子器件的发展使变流技术领域产生了根本性的变革，同时也极大地促进了机车牵引技术的发展，使交流传动的优越性得以明显发挥。

机车牵引领域电力电子器件的发展

自1957年晶闸管问世，标志着电力电子技术的诞生，从此电子技术向两个分支发展。一支是以晶体管集成电路为核心形成对信息处理的微电子技术，其发展特点是集成度愈来愈高，集成规模越来越大，功能越来越全。另一支是以晶闸管为核心形成对电力处理的电力电子技术，其发展特点是晶闸管的派生器件越来越多，功率越来越大，性能越来越好。

传统的电力电子器件已发展到相当成熟的阶段，但在实际中却存在两个制约其继续发展的致命因素。一是控制功能上的欠缺，因为通过门极只能控制其开通而不能控制其关断，属于半控型器件。二是此类器件立足于分立元件结构，开通损耗大，工作频率难以提高，一般情况下难以高于400Hz，因而大大地限制了其应用范围。因此，半控制器件的发展已处于停滞状态。

到了70年代末，可关断晶闸管(GTO)器件日趋成熟，标志着电力电子器件已经从半控型器件发展到全控制型器件。

进入80年代以后，伴随着GTO器件的发展及成熟，MOS器件的开发则繁花似锦。绝缘栅双极晶体管(IGBT)独占鳌头。至此电力电子器件又从电流控制型器件发展到电压控制型器件。90年代，电力电子器件又在向智能化、模块化方向发展，力求将电力器件与驱动电路、保护电路、检测电路等集成在一个芯片或模块内，使装置更趋小型化、智能化，其典型器件是IPM。而IGCT器件既具有IGBT器件的开关特性，同时又具有GTO器件的导通特性，且制造成本较低(与GTO和IGBT相比)，可以获得和GTO晶闸管一样的产量，即其集IGBT与GTO二者优势于一身，预计今后会在更多的工业和牵引领域中发挥作用。

总之，电力电子器件的发展经历了从半控到全控、从电流控制型到电压控制型、从单个元件到模块化再到智能化的发展过程。

牵引领域三种主导电力电子器件应用特性比较

从应用角度出发，对GTO、IGBT、IGCT这三种主导电力电子器件的主要性能比较见表2所列。

据电力电子器件的发展现状及趋势，预计在今后几年，电力电子器件将在以下方面取得进展：

1.已进入实用化的全控型器件将在功率等级、易于驱动和更高工作频率这三个方面继续改善和提高。

2.由于MCT、IGBT、IGCT等器件的大容量化及实用化，在更多的领域，IGBT和IGCT将取代GTO。

3.IGCT等新型混合器件将逐步得以推广应用。

4.功率集成电路将会有更进一步的发展。这将预示着电力电子技术将跃入一个新的时代。

5.新型半导体材料SiC的问世，将预示着在不远的将来会诞生一种集高耐压、大电流、高开关速度、无吸收电路、简单的门极驱动、低损耗等所有优点于一身的新型SiC电力器件。

电力电子器件在变流技术及机车牵引领域的应用

80年代以前，在机车牵引领域，电力电子器件主要用于直流传动系统中的整流器和斩波器以及辅助传动系统。电力电子器件主要是晶闸管。

进入80年代以后，随着机车技术的发展，交流传动技术日趋成熟，电力电子器件又有了新的用武之地，其在牵引领域的应用主要包括：整流器、斩波器、电力制动、逆变器以及辅助传动系统。这一时期在这些应用领域采用的电力电子器件主要是晶闸管和GTO。

进入90年代以后，交流传动在电力机车、内燃机车及动车上得以大量地推广应用，使电力电子器件在机车牵引领域中有了更广阔的应用前景。这一时期在牵引领域中主要采用的是GTO和IGBT。

目前，对大功率的电力机车及内燃机车而言，GTO仍占据主导地位。如法国的TGV、德国的ICE高速列车以及美国的大功率内燃机车等。而在中小功率的机车、城市有轨电车、动车及地铁等领域，IGBT则愈来愈显示出其卓越的性能。在此方面，日本和法国具有成熟的运用经验，其IGBT变流器产品覆盖面极广，产量很大。

结语

铁路牵引领域传动技术的升级换代取决于电力电子器件发展，我国交流传动技术的研究始于70年代初，起步并不晚，但国际上80年代初交流传动机车就已经进入商用化，技术日趋成熟，而我国近几年才在这方面有所突破。因此我们只有跨过GTO阶段，直接发展我们自己的IGBT及更高的技术，才可能缩短我国与国际上当今先进技术的差距。