火车/牵引
宽带隙 (WBG) 为列车/牵引系统提供动力
火车机车可以由柴油内燃机、蒸汽或电力驱动。本文将讨论电力驱动的优势。由于采用了大扭矩电力牵引电机，电力驱动的列车能够拉动一英里长的铁路车辆。
电力的工作原理是通过操纵磁场来切换电流频率和电压。电力牵引系统根据所使用的电机类型分为直流和交流两种，这两种电机的启动扭矩都非常大。
电机的直流与交流线路电压
架空导线供电系统的直流（DC）常用线电压为 1,500V 和 3,000V 水平。第三轨系统主要在 600-750V 范围内。直流电的一些优点是空间和重量方面的考虑、直流电动机的快速加速和制动、与交流电系统相比成本较低、能耗较低。使用直流电的缺点是：需要在相当近的距离设置昂贵的变电站，而且架空导线或第三轨又大又重。见图 1。
图 1： 用于铁路牵引的直流电源系统（图片来自 GaN Systems）
第三轨系统具有电击危险，系统电流高于交流线路电压（直流轨电压高于 1500 伏），因此不安全。因此，需要使用非常大的电流，从而导致系统中相当大的功率损耗，因此需要相对密集的馈电点（变电站）。
交流电（AC）的架空导线电压很高（10,000 伏或更高），但其优点是由于电流较小，导致变电站之间配电网络的电压降较低，因此需要的变电站较少。可以使用较轻的架空供电线，从而减轻支撑架空供电线所需的任何结构的重量。因此，电气化可减少资本支出。见图 2。
图 2： 用于铁路牵引的交流电力系统。电力动车组（EMU）是由电力驱动的多节车厢列车
机车的交流牵引比旧式直流系统有了很大改进。交流牵引的主要优势在于，交流牵引电机的附着力 比直流牵引高出 100%，可靠性更高，维护要求更低。点击此处了解交流牵引的附着力为何高于直流牵引。
如今，交流和直流电机都在使用，这取决于铁路系统。交流电牵引系统在现代铁路上非常流行。交流电在大多数牵引系统中使用较多，这是因为交流电有几个优点，如交流电的快速供应和产生，可轻松升压或降压，交流电机易于控制，变电站需求较少，以及轻型架空导管可在高电压下传输低电流。图 3 显示了铁轨上交流与直流牵引系统的确切数量。
截至 2018 年底，72 个国家和地区的 493 座城市开通了城市轨道交通，总里程超过 2.61 万公里1。这一数字比 2014 年翻了一番，并将在 2020 年及以后继续增加。
Reportlinker.com 宣布，全球铁路牵引电机市场预计将在 2020-2024 年间增长 16.6 亿美元，预测期内年复合增长率为 3%。Market Watch 报告称，到 2026 年，全球电动牵引电机市场规模和份额估值预计将达到 315 亿美元。
图 3：全球交流和直流牵引系统分布图（图片来自参考资料 5）
碳化硅和氮化镓场效应晶体管电动汽车牵引系统与基于 Si-IGBT 的牵引系统的比较4
轨道牵引系统的整流器部分通常将 480V、60Hz 交流电转换为 650VDC 左右的直流电。
SiC 功率元件的开关速度更快，为设计人员提供了创建轨道车动力系统的工具，与使用其他功率晶体管器件（如 Si IGBT）的现有系统相比，该系统体积小 50%，重量轻 30%。这使整个电机系统的重量减轻了 15%，这主要归功于采用 SiC 高频率的小型磁体。SiC 器件的最大额定电压和电流大大高于 Si 的理论能力。碳化硅器件的故障裕度也更大。
更轻的列车不仅效率更高，而且更安全，因为更轻的重量能让列车更快地停下来。此外，如果将 SiC 和/或 GaN 器件设计到系统的辅助电源中，用于乘客舒适设备（如空调、Wi-Fi 和车内照明），这些系统的能耗也会大大降低。
碳化硅和氮化镓更高的运行速度使设计人员能够设计出比现有系统体积小 50%、重量轻 30% 的轨道车动力系统，使整个电机系统的重量减轻 15%。更轻的列车不仅效率更高，而且更安全--更轻的重量意味着可以更快地停车。
氮化镓器件的优点是功绩值（FOM）低（FOM 的定义是 "导通电阻 x 栅极电荷"），反向恢复电荷（Qrr）为零。氮化镓晶体管远优于硅晶体管，因为系统中的开关频率、磁性设计和开关损耗都将大幅降低。
硅 MOSFET 的典型反向恢复电荷在 50-nC 至 60-nC 范围内，具体取决于其尺寸和特性。当 MOSFET 关断时，体二极管中的 Qrr 会产生损耗，增加整个系统的开关损耗。这些损耗随开关频率成比例上升，使得 MOSFET 无法在牵引变流器系统等许多应用中以较高的频率使用。
牵引转换系统
交流和直流牵引中有许多不同类型的电力转换系统。以下是几种类型：
新干线子弹头列车2
新干线列车的转换系统由 PWM 转换器和 PWM 逆变器组成，如图 4 所示。
该高速列车牵引系统的关键概念是将碳化硅功率器件应用于牵引转换系统。列车牵引冷却系统和 6 极感应电动机的加入有助于进一步减轻重量、提高紧凑性和可靠性。对开发的牵引系统原型进行了运行测试，证实其性能良好。这种碳化硅牵引应用在高速列车上尚属首次。
图 2： 传统的车载电动汽车充电器（图片来自参考文献 1）
表 1：东海道新干线牵引系统的改进（图片来自参考资料 2）
牵引变流器示例3
在碳化硅功率晶体管出现之前，硅 IGBT 一直广泛应用于铁路牵引变流器。与硅 IGBT 相比，碳化硅功率器件具有更高的阻断电压、更高的开关速度和更高的工作温度。
基本的标准牵引变流器设计结构如右图 5 所示。
在大多数情况下，SiC 比 GaN 更适合铁路牵引应用，因为器件的额定电压较高，符合架空线供电系统 1,500V 和 3,000V 的常用直流线路电压，以及主要在 600V-750V 直流范围内的第三轨直流系统；交流铁路系统可能具有较高的架空线电压（10,000 伏或更高）。
Wolfspeed 提供 CAS300M17BM2 1700V SiC 8.0 mΩ，采用标准 62mm 封装，该模块可以并联或串联，以满足牵引逆变器应用对驱动器电压和电流的适当要求。参见右图 6。
额定电压为 3.3 千伏、6.5 千伏和 10 千伏的更高电压模块也在开发中，但目前还未商业化。一旦这些更高的电压模块上市，我们将尽快投入使用。
氮化镓功率集成电路还可用于某些电压较低的铁路牵引，最高可达800V4，或通过适当堆叠来处理更高的电压。
图 5：基本铁路牵引变流器设计
（图片来自参考资料 3）
图 6：来自 Wolfspeed 的 CAS300M17BM2 模块
结论
高扭矩交流和直流电动牵引电机是列车牵引系统的核心。要为这些电机提供动力，在高难度整流器设计中采用高速、高压功率晶体管，是将重型货物运往目的地并保持经济运行的强大列车实现最佳性能的关键。
SiC、GaN 等 WBG 半导体以及 HVIGBT 是牵引系统中的电源主力。碳化硅和氮化镓通常都用于这些电源架构，其中碳化硅可能是设计人员的首选，因为铁路牵引系统中的直流线路架空系统电压和第三轨直流需求较高。SiC 处理较高的电压等级，而 GaN 则处理较低等级的高压需求。SiC 器件的最大额定电压和电流大大高于 Si 的理论能力。由于 WBG 功率集成电路具有高速和高电压性能水平，因此可实现更小、更轻的系统。HVIGBT 适用于较难找到额定电压超过 1700V 的商用碳化硅器件的情况。
参考资料
- UITP, "World metro figures - Statistics brief," Singapore, Rep. 2018
- 为新干线高速列车开发碳化硅应用牵引系统，Kenji Sato1、Hirokazu Kato 和 Takafumi Fukushima，2018 国际电力电子会议，IEEE 2018
- 牵引变流器中碳化硅器件的前景，P. Ladoux、M. Mermet、J. Casarin、J. Fabre，ALSTOM Transport - Innovation and Research -Traction Components Engineering，IEEE 2012。
- 氮化镓实现高效、经济的 800V 电动汽车牵引逆变器
- 电气化铁路直流牵引供电系统的可靠性分析》，Hitoshi Hayashiya、Masayoshi Masuda、Yukihisa Noda、Koichiro Suzuki、Takashi Suzuki，东日本旅客铁道公司东京分公司，EPE'17 ECCE Europe，2017 年
