隨著城市軌道交通向綠色節(jié)能的趨勢(shì)發(fā)展，研究電功耗低的牽引變流器成為關(guān)鍵。具有高溫耐受、高頻開關(guān)和低功耗優(yōu)勢(shì)的硅碳（SiC）器件，應(yīng)用于三電平變流器技術(shù)中，能有效提升效率、降低能耗及設(shè)備重量。硅碳器件的應(yīng)用不僅降低了能效，還有助于減小變流器和相關(guān)設(shè)備的體積，提升使用壽命，從而響應(yīng)城市軌道交通的發(fā)展需求。五種常用的三電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)不同牽引傳動(dòng)控制方法在城軌領(lǐng)域也起到了促進(jìn)作用。

城軌列車牽引系統(tǒng)作為城市交通的動(dòng)力來源，對(duì)穩(wěn)定、安全、可靠的運(yùn)行至關(guān)重要。牽引變流器對(duì)效能牽引和節(jié)能目標(biāo)起關(guān)鍵性作用，三電平拓?fù)浣Y(jié)合合適的控制策略可以降低碳化硅器件的應(yīng)用成本，兩者結(jié)合可以進(jìn)一步縮小變流器和相關(guān)設(shè)備的體積，延長(zhǎng)系統(tǒng)使用壽命；因此，將碳化硅三電平變流器應(yīng)用于城軌交通是符合發(fā)展需求的。

城軌牽引系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)步與碳化硅器件應(yīng)用現(xiàn)狀

目前中國(guó)城軌車輛普遍使用二電平硅基IGBT變流器，但受限于開關(guān)頻率，其在能效效能和諧波控制上存在不足。而三電平變流器，加之SiC器件的應(yīng)用，能降低開關(guān)損耗，改善輸出波形，減輕設(shè)備重量，拓寬調(diào)速范圍。SiC器件耐高壓、功率損耗小且開關(guān)頻率高，使變流器小型化的同時(shí)，提升效率成為可能。然而誤導(dǎo)通、電磁干擾等技術(shù)挑戰(zhàn)，亦需要對(duì)牽引系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化以確?？煽啃?。

變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與城軌需求的適應(yīng)性分析

三電平變流器開關(guān)器件承受的電壓應(yīng)力較小，降低了損耗。多樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略為城軌牽引提供良好適配性。中點(diǎn)電位偏移和損耗不平衡等問題可通過優(yōu)化調(diào)制策略和SiC器件的高頻特性得到改進(jìn)。SiC與三電平變流器結(jié)合可減輕體積、提升性能。ANPC混合拓?fù)涫菍?shí)用方案之一，全部采用SiC模塊則表現(xiàn)出更佳性能，但成本是放棄使用其高性能方案的原因。

碳化硅三電平變流器在城軌領(lǐng)域的適應(yīng)性

城市軌道牽引變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有五種，包括中點(diǎn)箝位型（NPC）、飛跨電容型（FC）、有源箝位型（ANPC）、T型和級(jí)聯(lián)H橋型（CHB）。在這些拓?fù)渲校珹NPC拓?fù)淦骷^多，組合方法靈活，與碳化硅器件的組合方式有多種選擇。此外，全SiC拓?fù)湟彩且环N選擇，全碳化硅器件的牽引變流器在性能和減重效果上具有更強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。兩者的應(yīng)用需要結(jié)合控制策略進(jìn)行設(shè)計(jì)，選擇最適合的組合方式。

SiC三電平變流器在城軌牽引領(lǐng)域的應(yīng)用，符合碳低排放與高效運(yùn)營(yíng)的發(fā)展需求，并有望進(jìn)一步提升牽引變流器的性能，推動(dòng)城市軌道交通技術(shù)向前發(fā)展。三電平拓?fù)浣Y(jié)合硅碳器件后在減少體積、提升執(zhí)行效率和延長(zhǎng)使用壽命方面能帶來的顯著改善。三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中NPC、T型和ANPC的適應(yīng)性及其與城軌牽引要求的一致性。不同拓?fù)涞幕旌蠎?yīng)用以及全SiC器件的成本效益需要按需采用，為城軌牽引變流器的未來升級(jí)提供理論和實(shí)務(wù)上的指導(dǎo)。

從城市軌道牽引變流器的核心地位、碳化硅器件的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)、三電平變流器拓?fù)涞陌l(fā)展趨勢(shì)等方面可以看出硅碳三電平牽引變流器在應(yīng)對(duì)能耗低、性能高、輕量化等方面的重要作用。可預(yù)見全硅碳器件變流器在成本優(yōu)化后將廣泛應(yīng)用，并有望引領(lǐng)城市軌道牽引系統(tǒng)進(jìn)入新的發(fā)展階段。