基于碳化硅的軌道車輛一體化變流器系統

摘" 要：為實現軌道車輛牽引傳動系統的小型化和輕量化，同時降低車輛高速運行時傳統變流器開關頻率過低導致的電機電流畸變，提出一種基于碳化硅（SiC）的電力電子變壓器——正弦波牽引逆變器一體化變流器系統。分別給出基于SiC器件的系統實現方案、高頻大功率高絕緣耐壓磁隔離設計方案，并通過仿真分析該系統的輸入輸出特性。結果表明，該系統在額定功率3.25 MVA運行時，輸入電流總諧波畸變率（THD）低于1%，功率因數大于0.99，輸出電壓總諧波畸變率（THD）低于3.50%；系統效率大于97.5%，相比傳統牽引傳動系統效率提高3%～5%。

關鍵詞：碳化硅；電力電子變壓器；正弦波牽引逆變器；諧振變換器；軟開關

中圖分類號：U270.38" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）28-00２８-0４

Abstract： In order to realize the miniaturization and lightweight of the traction drive system of rail vehicles， and to reduce the motor current distortion caused by the low switching frequency of the traditional converter when the vehicle is running at high speed， an integrated converter system of power electronic transformer and sine wave traction inverter based on silicon carbide （SiC） is proposed. The realization scheme of the system based on SiC device and the design scheme of high frequency， high power and high insulation voltage magnetic isolation are given respectively， and the input and output characteristics of the system are analyzed by simulation. The results show that when the rated power is 3.25 MVA， the total harmonic distortion （THD） of the input current is less than 1%， the power factor is more than 0.99， the output voltage THD is less than 3.50%， and the system efficiency is more than 97.5%， which is 3% ～ 5% higher than that of the traditional traction drive system.

Keywords： silicon carbide; power electronic transformer; sinusoidal traction inverter; resonant converter; soft switching

牽引傳動技術是鐵路機車車輛核心技術之一，雖然我國眾多主機廠在牽引傳動系統設計時采用不同的技術路線，但基本都由工頻牽引變壓器和牽引變流器組成。由于工頻牽引變壓器工作頻率較低，其體積和重量較大[1]。高速列車運行功率越來越高，更高容量的工頻變壓器在整車重量占比更加突出，限制整車輕量化需求。受限于硅（Si）器件的技術特點，傳統牽引變流器在輕量化及節能性能上提升空間不大。鐵路機車車輛急需采用新技術促進牽引傳動技術的發展，實現牽引系統的輕量化和小型化。

電力電子變壓器一般是指通過電力電子技術及高頻變壓器實現的具有但不限于傳統工頻交流變壓器功能的新型電力電子設備。電力電子變壓器應用目前主要集中在電力機車牽引用的車載變流器系統、智能電網/能源互聯網和分布式可再生能源發電并網系統[2-3]。相比Si器件，在相同開關電壓變化率下，碳化硅（SiC）器件可減少70%的開關損耗。電力電子變壓器若采用SiC器件，其低損耗特性可以降低散熱系統的體積和重量，其高開關頻率特性可降低無源器件的體積和重量，達到輕量化、小型化、節能減排的目的[4]。

本文將應用級聯多電平技術和高頻諧振軟開關技術，構建基于低壓SiC器件的電子電力變壓器——正弦波牽引逆變器一體化系統，以顯著提高系統運行效率和功率密度，降低牽引傳動系統體積和重量。

1" 一體化變流器系統拓撲結構分析

一體化變流器系統方案如圖1所示，包含52個相同的基本功率子單元。該一體化變流器系統可獨立驅動4臺牽引電機，每臺牽引電機線電壓2 750 V，線電流155 A。一體化變流器系統同時提供4組三相380 V交流輔助電源，每路輔助電源額定輸出功率50 kVA。

我國鐵路牽引接觸網額定電壓為25 kV，而現階段SiC功率器件電壓等級為1.2 kV。考慮到一定的電壓裕量及占空比的影響，采用模塊化結構，實現高壓輸入側的串聯分壓。應用SiC器件實現的一種基本功率子單元如圖2所示。中間級DC/DC變換器采用CLLC諧振變換器拓撲實現牽引網與列車電氣隔離，能量可雙向傳輸，工作于150 kHz以顯著降低隔離磁單元的體積和重量。

每臺牽引電機由12個基本功率子單元組成的級聯多電平方案獨立控制（軸控方式），可以有效提高黏著利用，同時可用于驅動永磁電機。對于驅動三相電機采用并聯二級級聯方案，如圖3所示，此時通態損耗為四級級聯方案的25%。但在三相電機額定功率運行時，基本功率單元直流母線電壓需大于972 V，需要優化直流母線降低寄生電感。

2" 一體化變流器系統控制策略仿真

2.1" 前級級聯PWM整流仿真

一體化變流器輸入直接連接牽引網，要求能量雙向流動，輸入單位功率因數運行。單相52級級聯PWM整流器仿真結果如圖4所示，采用單極性倍頻載波移相調制方法。其中基本功率子單元開關頻率10 kHz，網壓25 kV，直流電壓41.60±4.25 kV，功率3.25 MW。此時網流總諧波畸變率（THD）為0.22%，輸入功率因數0.99。52級級聯多電平（105電平）整流工作模式下等效開關頻率為每個級聯整流子單元的522倍，即27.04 MHz，可顯著降低輸入濾波電感值，降低其體積重量損耗。

2.2" 后級三相級聯逆變仿真

采用三次諧波注入PWM調制方式，開關頻率30" kHz，直流母線電壓1 000 V，調制比0.973 4時，三相并聯二級級聯逆變輸出電壓仿真結果如圖5所示，此時輸出線電壓有效值2 749 V，輸出電流有效值154.4 A。輸出線電壓THD為0.76%，主要諧波成分位于240 kHz頻率處。

2.3" 中間級隔離DC/DC仿真

本設計CLLC諧振變換器開關頻率固定于諧振頻率（150 kHz），通過調節前級AC/DC變換器的輸出電壓適應后級DC/AC逆變器的需求。當隔離變壓器變比n=1.0時，不同開關頻率下以及不同負載條件下電壓增益曲線如圖6所示，此時諧振電感5.98 μH，諧振電容188.17 nF，諧振頻率150 kHz。

為降低額定負載下啟動瞬態過電流，CLLC諧振變換器在啟動時開關頻率設置為300 kHz，在50 ms內線性降低至額定開關頻率150 kHz。啟動瞬態過程中輸出電壓仿真結果如圖7所示，在啟動過程（0～50 ms）輸出電壓無過沖。

3" 一體化變流器系統實現方案

本節首先給出了采用SiC器件的一體化變流器內部各級變換器的損耗和溫升結果，然后通過仿真給出了高頻變壓器的磁場分布，最后給出了一體化變流器虛擬樣機。

3.1" SiC器件選型及系統損耗分析

一體化變流器系統應用第三代SiC器件（C3M0021120K）。一體化變流器系統前級AC/DC采用52級級聯整流方案，后級DC/AC采用三相并聯二級級聯逆變方案，中間級DC/DC采用高頻隔離CLLC諧振方案。所有開關器件采用3只SiC器件并聯的損耗及效率見表1，總效率98.34%。

3.2" 高頻隔離變壓器設計方案

高頻隔離變壓器需要使用低磁芯損耗磁芯，如鐵氧體、非晶合金、納米晶合金等。鐵氧體磁芯具有成本低和損耗低的特點，非常適合20 kHz～3 MHz頻率范圍內變壓器應用。高頻變壓器勵磁電感目標值100 μH，需要對磁芯增加氣隙。同時增加氣隙會增大變壓器漏磁通，從而導致高漏感，這會影響諧振單元的諧振頻率。使用49925U型磁芯構成的高頻變壓器如圖8（a）所示，其中內部繞組為初級繞組，外部繞組為次級繞組，該繞組布置方法可增大初級和次級繞耦合系數。磁通分布仿真結果如圖8（b）所示。

由于氣隙計算值忽略氣隙邊緣磁通，導致實際勵磁電感高于期望值。本小節仿真分析氣隙導致的漏電感值。不同氣隙下采用49925UC磁芯設計的變壓器仿真結果見表2。

3.3" 一體化變流器虛擬樣機

由52個基本功率子單元組成的一體化變流器虛擬樣機如圖9所示，包含機柜外殼的尺寸為3 790 mm×2 400 mm×650 mm，包含頂部安裝橫梁的尺寸為3 940 mm×2 400mm×700 mm，總重量約2 400 kg（包含頂部安裝橫梁）。

4" 結論

通過仿真結果分析，基于SiC的電力電子變壓器——正弦波牽引逆變器一體化系統方案的正確性和有效性得到了證明，主要結論如下：該一體化變流器輸入可直接連接牽引網（25 kV），輸出可驅動4臺牽引電機和提供4組輔助電源，總功率3.25 MVA。該系統在額定功率3.25 MVA運行時，輸入電流THD低于1%，功率因數大于0.99，輸出電壓THD低于3.50%；該系統整體效率預估大于97.5%，相比傳統牽引傳動系統效率提高3%～5%。該系統整體重量預估2 400 kg，相比傳統方案重量減輕43%。

參考文獻：

[1] 錢銘，宋永豐.我國鐵路機車/動車組牽引技術現狀及展望[J].鐵道機車車輛，2019，39（6）：32-36，53.

[2] 李子欣，高范強，趙聰，等.電力電子變壓器技術研究綜述[J].中國電機工程學報，2018，38（5）：1274-1289.

[3] SHE X，HUANG A Q，BURGOS R． Review of solid-state transformer technologies and their application in power distribution systems[J]．IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics， 2013，1（3）：186-198.

[4] FENG J H， CHU W Q， ZHANG Z X， et al. Power electronic transformer-based railway traction systems： challenges and opportunities[J]. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics， 2017，5（3）：1237-1253.