基于碳化硅的轨道车辆一体化变流器系统.pdf

2023 年 28 期创新前沿科技创新与应用Technology Innovation and Application基于碳化硅的轨道车辆一体化变流器系统曲建真1，2，张志强1，2，类延霄1，2，高信迈1，2（1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111；2.高速磁浮运载技术全国重点实验室，山东 青岛 266111）牵引传动技术是铁路机车车辆核心技术之一，虽然我国众多主机厂在牵引传动系统设计时采用不同的技术路线，但基本都由工频牵引变压器和牵引变流器组成。由于工频牵引变压器工作频率较低，其体积和重量较大1。高速列车运行功率越来越高，更高容量的工频变压器在整车重量占比更加突出，限制整车轻量化需求。受限于硅（Si）器件的技术特点，传统牵引变流器在轻量化及节能性能上提升空间不大。铁路机车车辆急需采用新技术促进牵引传动技术的发展，实现牵引系统的轻量化和小型化。电力电子变压器一般是指通过电力电子技术及高频变压器实现的具有但不限于传统工频交流变压器功能的新型电力电子设备。电力电子变压器应用目前主要集中在电力机车牵引用的车载变流器系统、智能电网/能源互联网和分布式可再生能源发电并网系统2-3。相比 Si 器件，在相同开关电压变化率下，碳化硅（SiC）器件可减少 70%的开关损耗。电力电子变压器若采用SiC 器件，其低损耗特性可以降低散热系统的体积和重量，其高开关频率特性可降低无源器件的体积和重量，达到轻量化、小型化、节能减排的目的4。本文将应用级联多电平技术和高频谐振软开关技术，构建基于低压 SiC 器件的电子电力变压器正弦波牵引逆变器一体化系统，以显著提高系统运行效率和功率密度，降低牵引传动系统体积和重量。1一体化变流器系统拓扑结构分析一体化变流器系统方案如图 1 所示，包含 52 个相同的基本功率子单元。该一体化变流器系统可独立驱动 4 台牵引电机，每台牵引电机线电压 2 750 V，线电基金项目：山东省重点研发计划（重大科技创新工程）（2020CXGC010202）；超高速磁浮交通技术路径战略研究（2022-XBZD-20-02）第一作者简介：曲建真（1990-），男，博士，工程师。研究方向为电力电子变流器。摘要：为实现轨道车辆牵引传动系统的小型化和轻量化，同时降低车辆高速运行时传统变流器开关频率过低导致的电机电流畸变，提出一种基于碳化硅（SiC）的电力电子变压器正弦波牵引逆变器一体化变流器系统。分别给出基于 SiC 器件的系统实现方案、高频大功率高绝缘耐压磁隔离设计方案，并通过仿真分析该系统的输入输出特性。结果表明，该系统在额定功率 3.25MVA 运行时，输入电流总谐波畸变率（THD）低于 1%，功率因数大于 0.99，输出电压总谐波畸变率（THD）低于 3.50%；系统效率大于97.5%，相比传统牵引传动系统效率提高 3%5%。关键词：碳化硅；电力电子变压器；正弦波牵引逆变器；谐振变换器；软开关中图分类号院U270.38文献标志码院A文章编号院2095-2945渊2023冤28-00圆愿-0源Abstract:In order to realize the miniaturization and lightweight of the traction drive system of rail vehicles,and to reducethe motor current distortion caused by the low switching frequency of the traditional converter when the vehicle is running at highspeed,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 andhigh insulation voltage magnetic isolation are given respectively,and the input and output characteristics of the system areanalyzed by simulation.The results show that when the rated power is 3.25 MVA,the total harmonic distortion(THD)of the inputcurrent is less than 1%,the power factor is more than 0.99,the output voltage THD is less than 3.50%,and the systemefficiency 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 switchingDOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.28.00728-创新前沿科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 28 期流155 A。一体化变流器系统同时提供 4 组三相 380 V交流辅助电源，每路辅助电源额定输出功率 50 kVA。图 1一体化变流器系统方案我国铁路牵引接触网额定电压为 25 kV，而现阶段 SiC 功率器件电压等级为 1.2 kV。考虑到一定的电压裕量及占空比的影响，采用模块化结构，实现高压输入侧的串联分压。应用 SiC 器件实现的一种基本功率子单元如图 2 所示。中间级 DC/DC 变换器采用 CLLC谐振变换器拓扑实现牵引网与列车电气隔离，能量可双向传输，工作于 150 kHz 以显著降低隔离磁单元的体积和重量。图 2基本功率子单元实现方案每台牵引电机由 12 个基本功率子单元组成的级联多电平方案独立控制（轴控方式），可以有效提高黏着利用，同时可用于驱动永磁电机。对于驱动三相电机采用并联二级级联方案，如图 3 所示，此时通态损耗为四级级联方案的 25%。但在三相电机额定功率运行时，基本功率单元直流母线电压需大于 972 V，需要优化直流母线降低寄生电感。图 3一体化变流器系统级联逆变方案2一体化变流器系统控制策略仿真2.1前级级联 PWM 整流仿真一体化变流器输入直接连接牵引网，要求能量双向流动，输入单位功率因数运行。单相 52 级级联 PWM 整流器仿真结果如图 4 所示，采用单极性倍频载波移相调制方法。其中基本功率子单元开关频率 10 kHz，网压25 kV，直流电压 41.60依4.25 kV，功率 3.25 MW。此时网流总谐波畸变率（THD）为 0.22%，输入功率因数 0.99。52 级级联多电平（105 电平）整流工作模式下等效开关频率为每个级联整流子单元的 522倍，即 27.04 MHz，可显著降低输入滤波电感值，降低其体积重量损耗。图 4单相 52 级级联 PWM 整流器仿真结果2.2后级三相级联逆变仿真采用三次谐波注入PWM调制方式，开关频率30 kHz，直流母线电压 1 000 V，调制比 0.973 4 时，三相并联二级级联逆变输出电压仿真结果如图 5 所示，此时输出线电压有效值 2 749 V，输出电流有效值 154.4 A。输出线电压 THD 为 0.76%，主要谐波成分位于 240 kHz 频率处。2.3中间级隔离 DC/DC 仿真本设计 CLLC 谐振变换器开关频率固定于谐振频率（150 kHz），通过调节前级 AC/DC 变换器的输出电50403020100-10-20-30-40-500.340.350.360.370.380.390.4时间/s网侧电压直流电压网侧电流4003002001000-100-200-300-4008001 000 V滤波电感限流 防雷输入8001 000 V限压滤波电感输出AC/DCDC/DCDC/ACCLLC牵引电机1U 相V 相W 相高频隔离级联整流25 kV电网其他级联单元01040508091213161720212425282932333637404144454849505152高频隔离级联（52 级）整流负载U 相V 相W 相牵引电机1牵引电机2牵引电机3牵引电机4U 相V 相W 相U 相V 相W 相U 相V 相W 相380 Vac辅助变流器1380 Vac辅助变流器2380 Vac辅助变流器3380 Vac辅助变流器425 kV电网29-2023 年 28 期创新前沿科技创新与应用Technology Innovation and Application压适应后级 DC/AC 逆变器的需求。当隔离变压器变比n=1.0 时，不同开关频率下以及不同负载条件下电压增益曲线如图 6 所示，此时谐振电感 5.98 滋H，谐振电容188.17 nF，谐振频率 150 kHz。图 5三相并联二级级联逆变仿真结果图 6不同负载下 CLLC 谐振变压器电压增益为降低额定负载下启动瞬态过电流，CLLC 谐振变换器在启动时开关频率设置为 300 kHz，在 50 ms 内线性降低至额定开关频率 150 kHz。启动瞬态过程中输出电压仿真结果如图 7 所示，在启动过程（050 ms）输出电压无过冲。图 7CLLC 谐振变换器软启动仿真结果3一体化变流器系统实现方案本节首先给出了采用 SiC 器件的一体化变流器内部各级变换器的损耗和温升结果，然后通过仿真给出了高频变压器的磁场分布，最后给出了一体化变流器虚拟样机。3.1SiC 器件选型及系统损耗分析一 体 化 变 流 器 系 统 应 用 第 三 代 SiC 器 件（C3M0021120K）。一体化变流器系统前级 AC/DC 采用52 级级联整流方案，后级 DC/AC 采用三相并联二级级联逆变方案，中间级 DC/DC 采用高频隔离 CLLC 谐振方案。所有开关器件采用 3 只 SiC 器件并联的损耗及效率见表 1，总效率 98.34%。开关频率/kHz 初级损耗/W 次级损耗/W 总损耗/W 效率（%）结-壳温升/前级 AC/DC 10 433.21 0 433.21 99.32 23.7 中间级 DC/DC150 261.69 93.25 354.94 99.43 9.3 后级 DC/AC 15 0 231.25 231.25 99.58 14.0 整机-694.90 324.50 1 091.40 98.34-表 1一体化变流器系统开关器件损耗及效率渊环境温度 80 益袁壳温 100 益冤3.2高频隔离变压器设计方案高频隔离变压器需要使用低磁芯损耗磁芯，如铁氧体、非晶合金、纳米晶合金等。铁氧体磁芯具有成本低和损耗低的特点，非常适合 20 kHz3 MHz 频率范围内变压器应用。高频变压器励磁电感目标值 100 滋H，需要对磁芯增加气隙。同时增加气隙会增大变压器漏磁通，从而导致高漏感，这会影响谐振单元的谐振频率。使用 49925U 型磁芯构成的高频变压器如图 8（a）所示，其中内部绕组为初级绕组，外部绕组为次级绕组，该绕组布置方法可增大初级和次级绕耦合系数。磁通分布仿真结果如图 8（b）所示。由于气隙计算值忽略气隙边缘磁通，导致实际励磁电感高于期望值。本小节仿真分析气隙导致的漏电感值。不同气隙下采用 49925UC 磁芯设计的变压器仿真结果见表 2。3.3一体化变流器虚拟样机由 52 个基本功率子单元组成的一体化变流器虚拟样机如图 9 所示，包含机柜外壳的尺寸为 3 790 mm伊2400mm伊650mm，包含顶部安装横梁的尺寸为3940mm伊2400mm伊700mm，总重量约2400kg（包含顶部安装横梁）。1 2001 0509007506004503001500-150350325300275250225200175150125输出电压开关频率时间/s0.010.020.030.040.050.060.070.080.090.104 0002 0000-2 000-4 000时间/s0.020.0220.0240.0260.0280.03UV 线电压VW 线电压WU 线电压UV 线电压VW 线电压 WU 线电压1.81.61.41.210.80.60.40.2050%负载100%负载频率/kHz5010015020025030035040045050030-创新前沿科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 28 期4结论通过仿真结果分析，基于 SiC 的电力电子变压器正弦波牵引逆变器一体化系统方案的正确性和有效性得到了证明，主要结论如下：该一体化变流器输入可直接连接牵引网（25 kV），输出可驱动 4 台牵引电机和提供 4 组辅 助电源，总功 率3.25 MVA。该系统在额定功率 3.25 MVA 运行时，输入电流 THD 低于 1%，功率因数大于 0.99，输出电压 THD 低于3.50%；该系统整体效率预估大于97.5%，相比传统牵引传动系统效率提高 3%5%。该系统整体重量预估 2 400 kg，相比传统方案重量减轻 43%。参考文献院1 钱铭，宋永丰.我国铁路机车/动车组牵引技术现状及展望J.铁道机车车辆，2019，39（6）：32-36，53.2 李子欣，高范强，赵聪，等.电力电子变压器技术研究综述J.中国电机工程学报，2018，38（5）：1274-1289.3 SHE X，HUANG A Q，BURGOS R援 Review of solid-statetransformer technologies and their application in power dis原tribution systemsJ援IEEE Journal of Emerging and SelectedTopics in Power Electronics，2013，1（3）：186-198.4 FENG J H，CHU W Q，ZHANG Z X，et al.Power elec原tronic transformer-based railway traction systems：challengesand opportunitiesJ.IEEE Journal of Emerging and SelectedTopics in Power Electronics，2017，5（3）：1237-1253.渊a冤49925 U 型磁芯高频变压器渊b冤磁通分布仿真分析图 8高频变压器漏磁仿真分析图 9一体化变流器虚拟样机气隙长度/mm耦合系数励磁电感/H初级漏感/H次级漏感/H匝比2.56(计算值)0.988 1121.951.561.3713133.28(优化值)0.985 7100.011.541.3613134.00(优化值)0.983 7100.091.671.651414表 2不同气隙下 49925UC 变压器耦合系数与漏电感3 790 mm3 940 mm31-