鉄道
ワイドバンドギャップ(WBG)パワートレイン/トラクションシステム
列車の機関車には、ディーゼル内燃機関や蒸気を動力とするものと、電力を動力とするものがある。この記事では、電気動力の利点について説明する。電気で動く列車は、高トルクの電気牽引モーターを備えているため、1マイルにも及ぶ鉄道車両を牽引することができる。
電力は、磁場の操作によって電流の周波数と電圧を切り替えることで機能する。電気牽引システムは、使用されるモーターの種類によって直流と交流に分類され、どちらも始動トルクが非常に高い。
モーターのDCライン電圧とACライン電圧の比較
直流（DC）架線供給システムの一般的な線間電圧は、1,500Vと3,000Vレベルであった。第三軌条システムは、主に600～750Vの範囲である。直流の利点としては、スペースと重量の考慮、直流電気モーターの急加速と急制動、交流システムに比べて低コスト、エネルギー消費の低減などが挙げられる。直流を使う場合の欠点は、かなり近い間隔で高価な変電所が必要になることと、架線や第3のレールが大きく重くなることである。図1を参照。
図1： 鉄道牽引用直流電源システム（画像：GaN Systemsより）
サード・レール・システムは、ACライン電圧（DCレールは1500V以上）よりも高いシステム電流で感電の危険があり、安全とは考えられていない。そのため、非常に高い電流が使用され、システム内でかなりの電力損失が生じるため、比較的間隔の狭い給電ポイント（サブステーション）が必要となる。
交流（AC）は架線電圧が高い（10,000ボルト以上）場合があるが、この場合の利点は、変電所間の配電網に沿った電圧降下が低くなる電流が低いため、変電所の数が少なくて済むことである。より軽い架空電流供給線を使用できるため、それを支えるために必要な構造物の重量が軽減される。その結果、電化によって資本支出を減らすことができる。図2を参照。
図2： 鉄道牽引用交流電源システム。EMU（Electric Multiple Unit）は、電気を動力源とする複数ユニットの列車である。
機関車用のACトラクションは、旧式のDCシステムよりも大きな改善が可能である。ACトラクションの主な利点は、DCトラクションより最大100%高い 粘着レベルと、ACトラクション・モーターの高い信頼性とメンテナンス要件の低減です。AC粘着レベルがDC粘着レベルより高い理由はこちらをご覧ください。
現在、鉄道システムに応じて、ACモーターとDCモーターの両方が使用されている。現代の鉄道では、交流牽引システムが非常に普及している。交流は、容易に昇圧または降圧できる交流の迅速な利用可能性と生成、交流モーターの容易な制御、変電所の必要数の少なさ、高電圧で低電流を伝達する軽い架線カテナリーの存在など、いくつかの利点があるため、ほとんどの牽引システムでより頻繁に使用されている。図3は、レール上の交流牽引システムと直流牽引システムの正確な数に関するデータを示している。
2018年末時点で、72の国と地域の493都市が都市鉄道輸送を開設し、総走行距離は26,100kmを超えた1。これは2014年の2倍の数字であり、2020年以降も増え続けるだろう。
Reportlinker.comは、世界の鉄道用牽引モーター市場は2020-2024年に16億6000万ドルの成長が見込まれ、予測期間中のCAGRは3％で進展すると発表した。Market Watchは、世界の電気牽引モーター市場規模、シェア評価額は2026年までに315億ドルに達する見込みであると報告した。
図3：世界のACおよびDC牽引システムの内訳（画像は参考資料5より）
SiCとGaN FETのEVトラクション・システムとSi-IGBTベースのトラクション・システムの比較4
鉄道牽引システムの整流器部分は通常、480V、60Hzの交流電力を650VDC前後の直流電力に変換する。
SiCパワーコンポーネントの高速スイッチング速度は、Si IGBTのような他のパワートランジスタデバイスを使用した既存のシステムよりも、50%も小型で30%も軽量な鉄道車両パワーシステムを設計者に提供します。これはモーターシステム全体の重量を15%も削減するもので、その主な理由はSiCの高周波を使用した磁気回路の小型化によるものです。SiCデバイスの最大定格電圧と電流は、Siの理論的能力を大幅に上回ります。SiCは故障からのマージンも大きい。
列車が軽くなれば、効率が高まるだけでなく、安全性も向上する。ボーナスとして、SiCおよび/またはGaNデバイスが、エアコン、Wi-Fi、車内照明などの乗客の快適性機器用のシステムの補助電源にも設計されている場合、これらのシステムのエネルギー消費量もはるかに少なくなります。
SiCとGaNの高速動作により、設計者は既存のシステムより最大50％小型化、30％軽量化し、モーターシステム全体の重量を最大15％削減した鉄道車両用パワーシステムを作ることができる。軽量化された列車は効率が向上するだけでなく、安全性も向上する。
GaNデバイスには、低FOM（Figure of Merit：オン抵抗×ゲート電荷）、ゼロ逆回復電荷（Qrr）という利点がある。GaNトランジスタは、スイッチング周波数、磁気設計、スイッチング損失がシステム内で大幅に削減されるため、Siよりもはるかに優れています。
Si MOSFET の逆回復電荷は、そのサイズと特性にもよるが、50～60nC の範囲が一般的である。MOSFETがターンオフすると、ボディ・ダイオードのQrrによって損失が発生し、システム全体のスイッチング損失に加算される。これらの損失はスイッチング周波数に比例して増加するため、トラクション・コンバータ・システムのような多くのアプリケーションにおいて、MOSFETを高い周波数で使用することは現実的ではありません。
トラクション変換システム
ACおよびDCトラクションの電力変換システムには多くの種類がある。ここではいくつかのタイプを紹介する：
新幹線2
図4は、PWMコンバータとPWMインバータで構成される新幹線車両の変換システムである。
この高速列車牽引システムのキーコンセプトは、牽引変換システムにSiCパワーデバイスを採用したことである。さらに、ドラフト冷却装置と6極誘導電動機を追加することで、軽量化、コンパクト化、高信頼性を実現した。開発したトラクションシステムのプロトタイプの走行試験を実施し、その健全な性能を確認した。このSiCトラクションの応用は、高速鉄道では初めての試みである。
図2： 従来のEV車載充電器（画像は参考資料1より）
表1：東海道新幹線における牽引システムの改良（画像は参考資料2より）
トラクション・コンバーターの例3
SiCパワー・トランジスタが登場するまで、シリコンIGBTは鉄道用トラクション・コンバータに広く使用されてきた。SiCパワー・デバイスは、Si IGBTよりも高い阻止電圧、高いスイッチング速度、高い動作温度を提供する。
基本的な標準トラクション・コンバーターの設計アーキテクチャを図5（右）に示す。
SiCは、ほとんどの場合、GaNよりも鉄道牽引アプリケーションに適している。その理由は、デバイスの高電圧定格が、架線供給システムの一般的なDCライン電圧である1,500Vおよび3,000Vと、主にDC600V～750Vの範囲のサードレールDCシステムに適合しているためである。
ウォルフスピードは、標準62mmパッケージの1700V SiC 8.0mΩのCAS300M17BM2を提供しています。このモジュールは、トラクション・インバータ・アプリケーションの適切なドライバ電圧および電流要件に適合するように並列および直列に接続することができます。右の図6を参照。
3.3kV、6.5kV、10kVの高電圧モジュールも開発中だが、現時点では市販されていない。これらの高電圧モジュールが利用可能になり次第、実装されることを期待する。
また、GaNパワーICは、800V4までの低電圧で、あるいは高電圧を扱うために適切にスタックされていれば、鉄道牽引にも使用される場合がある。
図5：鉄道用トラクション・コンバータの基本設計
（画像は参考資料3より）
図6：WolfspeedのCAS300M17BM2モジュール
結論
高トルクACおよびDC電気牽引モーターは、列車牽引システムの心臓部です。これらのモーターに電力を供給するため、困難な整流器設計の高速・高電圧パワー・トランジスタが、重い貨物を目的地まで運び、経済を維持する強力な列車の最適性能の鍵を握っています。
SiC、GaN、HVIGBTのようなWBG半導体は、トラクション・システムの主力電源である。SiCとGaNの両方がこれらの電源アーキテクチャで一般的に使用されており、鉄道牽引システムにおけるより高い直流架線システム電圧とサードレール直流ニーズにより、設計者はSiCを最初に選択する場合がある。SiCはより高い電圧レベルに対応し、GaNはより低いレベルの高電圧ニーズに対応します。SiCデバイスの最大電圧・電流定格は、Siの理論的能力よりも大幅に高い。WBGパワーICは、その高速・高電圧性能レベルにより、システムの小型・軽量化を可能にする。HVIGBTは、市販されているSiCの1700V以上の定格を見つけることが困難な場合に適合する。
参考文献
- UITP, "World metro figures - Statistics brief," Singapore, Rep.
- 新幹線用SiC応用牽引システムの開発, 佐藤健二1, 加藤博一, 福島孝文, 2018年国際パワーエレクトロニクス会議, IEEE 2018
- トラクション・コンバーターにおけるSiCデバイスの展望、P. Ladoux, M. Mermet, J. Casarin, J. Fabre, ALSTOM Transport - Innovation and Research - Traction Components Engineering, IEEE 2012.
- GaNが効率的でコスト効率の高い800VのEVトラクション・インバータを実現
- 電気鉄道用直流電源システムの信頼性解析, 林家 仁, 増田 正義, 野田 幸久, 鈴木 浩一郎, 鈴木 隆, 東日本旅客鉄道株式会社 東京支社, EPE'17 ECCE Europe, 2017
