高铁跑得快，不靠车头带

邀请你一起来创作科普作品，点击报名

????????

其实大家经常说的“坐高铁”这种说法，这是不严谨的，高铁全称是高速铁路，是指可以达到高速列车通行要求的铁轨线路。

大家平常说的“坐高铁”，当然不是坐在铁轨上，其实是指乘坐高速动车组列车。

高速这个定义好理解，目前国际上通常认为超过200km/h的列车都算高速列车，在中国G字头列车一般是250km/h~350km/h，D字头列车一般是200km/h左右，其实G和D字头的车都属于动车组列车。

那动车组什么意思呢？动车组是指由若干节有动力车厢和无动力车厢组成的固定编组列车。

这种方式能让列车的重量分布更均匀，加速快。最早是德国西门子在1903年研制成功了第一列动车组列车，由电机驱动，在当年跑出了210km/h的速度。这车造型看起来不像能跑那么快，不过想想一百多年前就达到这个速度也确实令人佩服。

不过到了一百多年后的今天，中国建成了世界最长里程的高铁运营线路，目前是3万6千多公里，比世界其他国家加起总和来还多。

说到国内目前运营的最先进的复兴号CR400动车组列车，运营时速是350km/h，标准编组为8节，由4节动力车厢和4节拖车厢组成。大概结构如下图所示，有动力的车轮标识为黑色，没有动力的车轮是白色。

高铁都是电气化了，那当然是电机带动车轮啦，那电机要转快点或是转慢点，这是谁控制的呢？

这就是牵引变流器，变流器分两部分，如下图所示，左侧的AC line是车顶之上的架空电线，也叫接触网，电压为25kV的高压交流电。车顶的受电弓把高压电引入变压器，如下图所示。

变压器降压后连入牵引变流器的整流侧（AC to DC），然后再由逆变侧（DC to AC）通过三相电缆连接驱动电机。

可能有读者不明白为啥电压要从交流成直流然后再变回交流，这不是瞎折腾，虽然交流电机是交流电驱动，但是电机的转速和交流电频率相关，固定频率的交流电并不能主动的控制电机的扭矩和转速，因此需要变流器（也叫变频器）根据电机实时转速以及扭矩需求输出特定频率特定电压电流的交流电，这样的变频驱动电机能够精确平顺的控制扭矩和转速。而变流器输出变频电压电流的原理就是通过控制逆变桥开关器件的占空比，使直流电变成相应频率和电压电流的交流电。

这样有什么好处呢，咱们就说最直观的感觉，你回想下十几年前坐绿皮车时，起步那一瞬间是不是都会哐当的冲一下，体验非常不好，有时睡在卧铺上都能给晃下床了。而现在的高铁则是平稳的加速，你不看窗外都不知道车开动了。这就是过去的直流电机和当今交流变频电机的差距。另外，牵引变流器大部分都是四象限整流，这意味着列车在进站刹车时的能量可以发电回馈到电网，更加的节能。

简单来说就是吊在车底的一个大铁箱子，安装位置如下图所示。

如上图所示，牵引变流器外观是个大铁箱子，而箱子里面的核心单元，也就是整流和逆变功能部分，一般称为变流器功率组件（蓝色框图）。而变流器的核心半导体器件就是上图中红框里的IGBT模块。

下图中这几款可以说是牵引系统里的老江湖了，它们属于IHV系列，虽然它们的外型有点old fashion，二十多年没变过了，但是它们的内部的芯片技术却是一直在更新换代的。最新的3300V E4芯片产品已经开始量产，在140mm*190mm的尺寸下，内部集成有超过2000A的IGBT芯片，并且有着更长的耐久性，实力引领IGBT行业。

英飞凌做为一家锐意创新的公司，不仅只有old fashion，而且还有new fashion，这就是XHP系列，可灵活编组的全新高功率模块封装。

未来的轨道交通牵引系统，无论是地铁还是高铁，无论是Si的IGBT器件还是SiC的MOSFET，都可以用同样的封装进行模块化设计，这样可以大幅降低设计的工作量以及采购备货的种类。

相关具体介绍可以参考本公众号之前发布的文章：

扫描上方二维码

欢迎关注微信公众号

【英飞凌工业半导体】