【導(dǎo)讀】鐵路與其他客運(yùn)工具相比，能源效率高，據(jù)說其每單位運(yùn)輸量的CO?排放量約為一般載客車輛的1/7。特別是在長距離運(yùn)輸中，其差距更大，高速鐵路網(wǎng)對運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施的節(jié)能有很大的推動作用。
鐵路與其他客運(yùn)工具相比，能源效率高，據(jù)說其每單位運(yùn)輸量的CO?排放量約為一般載客車輛的1/7。特別是在長距離運(yùn)輸中，其差距更大，高速鐵路網(wǎng)對運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施的節(jié)能有很大的推動作用。
一直以來，高速鐵路網(wǎng)在發(fā)達(dá)國家運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施中承擔(dān)著重要的作用，而近年來在新興發(fā)展中國家也出現(xiàn)了鋪設(shè)高鐵的動向。日本已經(jīng)實(shí)現(xiàn)高速鐵路網(wǎng)的實(shí)用化，擁有該項(xiàng)技術(shù)的國家則集聚官民各方力量，加強(qiáng)對正在探討鋪設(shè)的國家的推銷攻勢。
在高鐵市場競爭過程中，除了高速性、安靜性、安全性之外，能否通過削減CO?實(shí)現(xiàn)碳中和等環(huán)境性能也成為需要納入視野的關(guān)鍵點(diǎn)之一。
電子技術(shù)影響環(huán)境性能
雖然與其他運(yùn)輸手段相比鐵路的環(huán)境性能較高，但實(shí)際上仍需要消耗很多電力和燃料。特別是世界性的高速鐵路網(wǎng)的普及帶來了CO?排放量的增加，阻礙了碳中和的實(shí)現(xiàn)，因此需要進(jìn)一步推進(jìn)其節(jié)能化的進(jìn)程。
實(shí)現(xiàn)驅(qū)動系統(tǒng)的節(jié)電是提高鐵路環(huán)境性能的要點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，關(guān)鍵在于：
1. 驅(qū)動系統(tǒng)本身的節(jié)電化；
2. 驅(qū)動系統(tǒng)的小型、輕量化；
3.車輛的輕量化。
上述（1）和（2）兩點(diǎn)，開發(fā)在驅(qū)動系統(tǒng)中所使用的低電耗的轉(zhuǎn)換器及逆變器，可以說是減輕鐵路運(yùn)輸所需的能源負(fù)擔(dān)削減CO?排放量不可或缺的措施。在此開發(fā)過程中，采用高性能的半導(dǎo)體元件、低損失的電容器和電感器至關(guān)重要。
驅(qū)動系統(tǒng)的電力控制
在鐵路車輛裝備中，驅(qū)動馬達(dá)是消耗電力最多的裝置。為了實(shí)現(xiàn)鐵路車輛的節(jié)能化，一個重要的環(huán)節(jié)便是遏制驅(qū)動馬達(dá)的耗電，提高其運(yùn)行效率。為了有效地對驅(qū)動馬達(dá)進(jìn)行控制，逆變器裝置不可或缺。
什么是逆變器控制？
目前，很多鐵路車輛的電源使用的是以交流電流方式供給、并在使用中轉(zhuǎn)換為直流電流的方式。將交流電流轉(zhuǎn)換為直流電流的裝置，稱為“轉(zhuǎn)換器”。并且，交流馬達(dá)和空調(diào)、照明裝置等需要交流電源的機(jī)器設(shè)備則通過“逆變器”裝置，將直流電流轉(zhuǎn)換為交流電流后再進(jìn)行使用。
逆變器不僅可將直流電流轉(zhuǎn)換為交流電流，還可靈活控制頻率和電壓，即所謂的“逆變器控制”，這一原理在空調(diào)、微波爐、熒光燈等家電產(chǎn)品中也被大范圍應(yīng)用。而在需要大功率的鐵路車輛中，逆變器控制的精度和效率是左右能源消耗量的關(guān)鍵技術(shù)要素。
逆變器控制的進(jìn)化
鐵路車輛的逆變器控制是從20世紀(jì)80年代開始投入實(shí)用的，當(dāng)時被稱為“PWM（Pulse Width Modulation：脈沖寬度調(diào)制）逆變器”，采用了通過轉(zhuǎn)換將直流電壓改變?yōu)榫匦尾ǎ}沖），并每隔一定周期改變脈沖寬度，從而改變輸出電壓的方法。部分主電路元件原先使用晶閘管（下圖），之后GTO（Gate Turn-Off）晶閘管成為主流。
如上圖所示，晶閘管是進(jìn)行轉(zhuǎn)換操作的半導(dǎo)體元件的一種。其特征是通過在柵極和陰極間施加電壓并加通電流，可使陽極與陰極之間的非導(dǎo)通狀態(tài)（關(guān)閉狀態(tài)）切換為導(dǎo)通狀態(tài)（開啟狀態(tài)），也就是接通（點(diǎn)孤）。此外，為了進(jìn)行轉(zhuǎn)換動作，要將開啟狀態(tài)切換為關(guān)閉狀態(tài)及關(guān)斷（消?。顟B(tài)，還需要其他的元件和電路。
由于上圖中的的晶閘管無法實(shí)現(xiàn)的可關(guān)斷的晶閘管，為此需要如前文所提到的GTO等其他的柵極電路。但其中也存在著關(guān)斷所需時間長、流過柵極的電流超過輸出電流的10%以上，電耗損失較大等缺點(diǎn)。
時至20世紀(jì)90年代中期開始使用的IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor：絕緣柵型雙極晶體管），其與GTO晶閘管相比能夠以低損耗、高頻率進(jìn)行轉(zhuǎn)換，提高了效率和電壓控制的精度。
IGBT輸入部分采用MOSFET結(jié)構(gòu)，輸出部分采用雙極晶體管結(jié)構(gòu)的大電力對應(yīng)的半導(dǎo)體元件（下圖）。與GTO晶閘管相比，柵極電流與輸出電流的比率較小，損耗較低。此外，由于轉(zhuǎn)換頻率為人耳可聽見的范疇之外，因此與采用GTO晶閘管的情況相比其噪音較小。
IGBT的等效電路
此外，IPM（Intelligent Power Module）則帶來了驅(qū)動電路、保護(hù)電路和IGBT的一體化，實(shí)現(xiàn)了性能、功能及可靠性的提高，作為能夠推進(jìn)逆變器發(fā)展的一項(xiàng)技術(shù)得到實(shí)用。
驅(qū)動馬達(dá)的逆變器控制
由于電力電子技術(shù)，特別是逆變器的技術(shù)進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)了鐵路車輛的交流馬達(dá)（驅(qū)動用交流電動機(jī)）的實(shí)用。通過使用逆變器，與直流馬達(dá)相比其功率重量比更優(yōu)，消除了以往的電阻控制中所采用的電阻器造成的損失，從而大幅降低了整體損耗。
作為交流馬達(dá)，使用的是同步馬達(dá)和感應(yīng)馬達(dá)，其中使用VVVF（Variable Voltage Variable Frequency：可變電壓可變頻率）逆變器控制方式的交流感應(yīng)馬達(dá)因堅(jiān)固且易于操作，得以大范圍使用。
VVVF逆變器采用與PWM逆變器相同原理，可將直流電流轉(zhuǎn)換為交流電流，同時通過改變頻率和電壓來控制交流電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)。在VVVF逆變器控制中，能夠通過高速且高精度的轉(zhuǎn)換來改變電壓，可以周期性地反轉(zhuǎn)輸出方向，模擬產(chǎn)生交流電流的正弦波（下圖）。
各逆變器方式中的PWM波形
同時，由于高耐壓技術(shù)的進(jìn)步，引進(jìn)了可推進(jìn)電源大容量化的IGBT及IPM，并采用了3電平逆變器方式。
由于3電平逆變器方式能夠輸出接近正弦波波形的逆變器，相對于2電平逆變器方式，可大幅降低轉(zhuǎn)換損耗，此外，還可實(shí)現(xiàn)用于輸出波形正弦波化的低通濾波器的小型化，因此，使交流感應(yīng)馬達(dá)能夠減輕可造成電子設(shè)備錯誤操作的磁噪音和高次諧波，從而提高經(jīng)濟(jì)效益。
逆變器控制電路中的電子部件
目前，為了實(shí)現(xiàn)逆變器中所使用的半導(dǎo)體元件素材的耐壓性能加強(qiáng)和轉(zhuǎn)換的高速化，正逐漸從硅（Si）轉(zhuǎn)用碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）。但與此同時，轉(zhuǎn)換的高速化會帶來發(fā)熱量的增加，因此要求逆變器的各構(gòu)成電路中所使用的電子部件也具有高度的耐熱性。
除半導(dǎo)體元件以外，逆變器中還包括整流電路、換流電路（用于啟動晶閘管）、緩沖電路（用于減輕引起振鈴現(xiàn)象的寄生電感及因浪涌電壓引起的噪音）等構(gòu)成部分，這些電路中均使用電容器、電阻器和電感器等。
如電子部件的耐熱性較低，則將需要冷卻裝置。部件的耐熱性越低，冷卻裝置便越趨于大型化和復(fù)雜化。冷卻裝置的設(shè)置和大型化也將導(dǎo)致車輛重量的增加，成為電力消耗上升的原因。
因此，要實(shí)現(xiàn)車輛的輕量化、遏制電力消耗，逆變器中需要采用耐熱性能優(yōu)良的電子部件。除此以外，逆變器還需要具有高度的可信性，以確保在多類嚴(yán)峻的使用條件下也能夠正常運(yùn)作，例如因振動引起的基板撓曲及對脈沖電壓的耐性等。
高鐵節(jié)能技術(shù)與碳中和
目前，全世界的高速鐵路鋪設(shè)進(jìn)度迅猛。其中，美國加利福尼亞州連接洛杉磯和舊金山兩地的高速鐵路項(xiàng)目（預(yù)定將于2033年開通）耗資約773億美元（*資料來源：《日本與美國的高鐵投資比較》）；英國為連接各大城市之間的HS2（High Speed Two）項(xiàng)目也投入了巨額預(yù)算，引起相關(guān)方面爭議。
這些項(xiàng)目均以舉國之力，傾注巨資，也正說明鐵路運(yùn)輸?shù)沫h(huán)境性能明顯優(yōu)于其他運(yùn)輸手段。作為達(dá)成碳中和艱難目標(biāo)的有力手段，鐵路運(yùn)輸正受到大范圍的關(guān)注。同時，在發(fā)展中國家所引進(jìn)的鐵路網(wǎng)中也呈同樣的趨勢。
在此形勢下，由電子技術(shù)所帶來的節(jié)能化及其CO?削減效果無疑會越來越受到關(guān)注。
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