城市轨道交通中的牵引变流器

随着城市轨道交通向绿色节能的趋势发展，研究电功耗低的牵引变流器成为关键。具有高温耐受、高频开关和低功耗优势的硅碳（SiC）器件，应用于三电平变流器技术中，能有效提升效率、降低能耗及设备重量。硅碳器件的应用不仅降低了能效，还有助于减小变流器和相关设备的体积，提升使用寿命，从而响应城市轨道交通的发展需求。五种常用的三电平逆变器拓扑结构对不同牵引传动控制方法在城轨领域也起到了促进作用。

 

城轨列车牵引系统作为城市交通的动力来源，对稳定、安全、可靠的运行至关重要。牵引变流器对效能牵引和节能目标起关键性作用，三电平拓扑结合合适的控制策略可以降低碳化硅器件的应用成本，两者结合可以进一步缩小变流器和相关设备的体积，延长系统使用寿命；因此，将碳化硅三电平变流器应用于城轨交通是符合发展需求的。

城轨牵引系统的技术进步与碳化硅器件应用现状

 

目前中国城轨车辆普遍使用二电平硅基IGBT变流器，但受限于开关频率，其在能效效能和谐波控制上存在不足。而三电平变流器，加之SiC器件的应用，能降低开关损耗，改善输出波形，减轻设备重量，拓宽调速范围。SiC器件耐高压、功率损耗小且开关频率高，使变流器小型化的同时，提升效率成为可能。然而误导通、电磁干扰等技术挑战，亦需要对牵引系统的设计进行优化以确保可靠性。

 

变流器拓扑结构与城轨需求的适应性分析

 

三电平变流器开关器件承受的电压应力较小，降低了损耗。多样的拓扑结构和控制策略为城轨牵引提供良好适配性。中点电位偏移和损耗不平衡等问题可通过优化调制策略和SiC器件的高频特性得到改进。SiC与三电平变流器结合可减轻体积、提升性能。ANPC混合拓扑是实用方案之一，全部采用SiC模块则表现出更佳性能，但成本是放弃使用其高性能方案的原因。

碳化硅三电平变流器在城轨领域的适应性

 

城市轨道牵引变流器的拓扑结构主要有五种，包括中点箝位型（NPC）、飞跨电容型（FC）、有源箝位型（ANPC）、T型和级联H桥型（CHB）。在这些拓扑中，ANPC拓扑器件较多，组合方法灵活，与碳化硅器件的组合方式有多种选择。此外，全SiC拓扑也是一种选择，全碳化硅器件的牵引变流器在性能和减重效果上具有更强的优势。两者的应用需要结合控制策略进行设计，选择最适合的组合方式。

 

SiC三电平变流器在城轨牵引领域的应用，符合碳低排放与高效运营的发展需求，并有望进一步提升牵引变流器的性能，推动城市轨道交通技术向前发展。三电平拓扑结合硅碳器件后在减少体积、提升执行效率和延长使用寿命方面能带来的显著改善。三电平拓扑结构中NPC、T型和ANPC的适应性及其与城轨牵引要求的一致性。不同拓扑的混合应用以及全SiC器件的成本效益需要按需采用，为城轨牵引变流器的未来升级提供理论和实务上的指导。

 

从城市轨道牵引变流器的核心地位、碳化硅器件的独特优势、三电平变流器拓扑的发展趋势等方面可以看出硅碳三电平牵引变流器在应对能耗低、性能高、轻量化等方面的重要作用。可预见全硅碳器件变流器在成本优化后将广泛应用，并有望引领城市轨道牵引系统进入新的发展阶段。