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电力电子器件与装备——能源互联网的助推器

中车株洲电力机车研究所有限公司王卫安

2018年11月6日

✓把握优势、乘势而为，做强做优做大

✓创新驱动，继续领跑，不能缺芯少魂

习总书记视察中国中车时指出：

✓ 中华民族伟大复兴还要靠我们的经济

竞争力。经济竞争力，我们还是要抓

实体经济；装备制造业是国之重器，

是实体经济的重要组成。

交通+互联网+能源

数字化+信息化+智能化

势

✓ 是电能传输、电力变换与

品质控制的基础器件；

✓ 是促进传统产业升级、新

兴产业发展的关键因素；

✓ 是交通与能源革命的重要

基石。

电力电子器件的作用与意义

一代器件、一代装备、一代应用

发展方向展望第四部分

轨道交通能源互联网特点及要求第一部分

中车电力电子器件与装备创新成果第二部分

电力电子器件与装备发展面临挑战第三部分

总结与建议第五部分

一、轨道交通能源互联网特点及要求

轨道交通能源互联网架构1

应急处置

在线监控

能源交易

能耗管理

车辆优化操纵

能量优化调度

信息采集

信息辨识

信息传输

数据存储

智能监控

调度

人机交互

车辆牵引供电储能能源供应

价值实现平台

✓ 利用大数据、云中心，实现整个轨道交通能

源互联网各环节效用和效益的最大化。

信息通信平台

✓ 信息流、能量流共享和交互，实现轨道交通能

源互联网的运营、调度、监控、检测、维护。

基础设施网络

✓ 以电力网络为骨架，连通车辆、牵引供电、能

源等，利用智能化装置实现高效的能源利用。

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轨道交通能源互联网系统2

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轨道交通能源互联网技术关联图3

能源互联网金融技术

能源大数据技术

信息物理技术

微电网技术

电力电子技术

分布式式储能技术

新一代半导体器件

智能传感技术

车联网技术

故障诊断与处理技术

系统理论

信息科学

材料与工艺

能源转换、调度

分布式车辆

牵引变电所

牵引电网

新能源及储能系统

高速通信系统

车站与控制中心

基础研究

使能技术

轨道交通系统

理论支撑

技术推动

技术需求

理论需求


轨道交通能源互联网特点4

交流牵引供电

✓ 三相供电、单相负载，导致三相不平衡

及电分相的存在

✓ 电分相导致制动能量利用率不高、列车

速度损失

✓ 牵引负荷波动频繁、冲击性大，影响铁

路运营的安全性和经济性

✓ 单向供电导致制动能量不能再利用

✓ 直流电压不可控，实际运行中电压波动

范围很大

直流牵引供电


对电力电子器件及装备的要求5

✓ 安全性、可靠性要求高

✓ 电压高、电流大、功率密度大

✓ 通态压降小，损耗低

✓ 浪涌电流大，具有抗系统短路能力





建议第五部分

二、中车电力电子器件与装备创新成果

中车功率半导体产业发展历程1

1964

成立功率半导体海外研发中心

开始研发大功率半导体器件技术

开发出300/500A硅二极管，电力机车“硅改”成功

引进美国西屋烧结工艺技术

产品批量出口美国GE

54年发展历程

1971

1999

1985

2009 6英寸双极器件生产线、国内首条高压IGBT模块封装线建成

研发成功世界上第一只6英寸UHVDC 8500V商用晶闸管2006

并购英国Dynex，进入IGBT领域2008

2011开始SiC技术研究，获02重大专项支持

2010

2014

IGBT进入输配电领域，国家重点实验室申报成功 2015

8英寸IGBT线建成投产，国家能源器件研发中心申报成功

SiC产线完成主体工程，中标多个HVDC项目 2016

IGBT进入汽车领域，SiC产线完成调试并试运行 2017

开始IGCT技术研究2003

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中车功率半导体产业概况2


业务领域产业布局

创新平台员工队伍

产品覆盖晶闸管、IGCT、IGBT、SiC、功率组件全系列，拥有芯片-模块-功率单元-整机完整产业链。英国林肯中国株洲

4英寸基地

6英寸基地

8英寸基地

Dynex基地

海外研发、营销中心

SiC产品线基地

新型功率半导体器件国家重点实验室国家能源大功率电力电子器件研发中心中国IGBT技术创新与产业联盟理事长单位欧洲电力电子学会副主席单位

功率半导体产业1200名员工，其中工程技术

人员400余人

境外员工：330人

中车功率半导体产业概况2


◼HVDC晶闸管◼普通晶闸管

◼普通整流管

◼快速晶闸管

◼快速二极管

◼双向晶闸管

◼IGCT

◼乘用车集成式

◼功率组件

◼特种电源用

功率组件

IGBT◼压接式IGBT◼焊接式IGBT

◼轨道交通用IGBT◼电网用IGBT◼汽车用IGBT◼其他工业应用IGBT

◼SiC二极管

◼SiC MOSFET

◼SiC模块

SiC 功率组件

双极器件

器件创新成果——双极器件技术3


双极平板型器件

✓ 世界最高电压(8500V) 、

最大电流（6500A）特高

压直流输电用晶闸管技术；

✓ 掌握高压大电流晶闸管全套

技术，世界首只UHVDC商

用6英寸晶闸管。

自关断型器件

✓ 国内唯一一家掌握IGCT全

套技术厂家；

✓ 最高电压6500V，最大电

流4000A，技术参数达到

国际领先水平。

功率组件

✓ 5英寸、6英寸晶闸管组件

阀整体设计、制造能力；

✓ 通过高端领域（HVDC、

中压传动变频器、机车变

流器）的应用验证。

器件创新成果——IGBT芯片技术3

✓ 已掌握高功率密度平面栅（4th DMOS+）、高性能沟槽栅（5th TMOS+）

核心芯片技术，正在开发第六代精细沟槽技术。


采用自主IGBT芯片的器件已在轨道交通、电力系统、电动汽车等领域获得批量应用

器件创新成果——SiC器件技术3


生产制造能力

✓ 国内首条具备完整制造能力

的专业SiC芯片生产线，产

能约10000片/年；

✓ 净化等级全线100级，净化

面积超1500m2。

成果示范应用

✓ 1700V/1600A、1200V/200A、

1200V/800A混合SiC模块分别

首次国内应用于营运地铁车辆

（昆明地铁）、光伏电场及电

动汽车。

技术成果鉴定

✓ 经中国电子学会科技成果

鉴定，与中科院微电子所

联合开发的650V-3300V

SiC SBD，器件性能达国

内领先、国际先进水平。

器件创新成果——模块封装技术3


基板(AlSiC)

铜（表面镀镍）

衬板（AlN)

铜（表面镀镍）

芯片

母排端子

硅胶

环氧树脂

焊层

超声引线键合

弹簧引线

PCB板

✓高可靠性封装技术，批量用

于轨道交通、输配电：

✓ 1700V-6500V高压模块；

✓ 600V-1700V中低压模块。

✓ 4500V/3000A已通

过国网“张-北工程”

专家鉴定。

✓Pin-fin结构，更低热

阻；超声焊接，更高

可靠性。

✓双面散热，超低热阻；

直接端子键合、转模封

装。

单面焊接技术压接式技术直接水冷技术双面焊接技术

装备创新成果——铁路智能电分相装备4

18

◼ 电分相带来的问题✓ 机车掉电时间长、速度损失大；

✓ 主断路器动作频繁，操作复杂；

✓ 存在暂态过电压，增加机车故障率；

✓ 存在坡停、闯分相等隐患。

◼智能电分相的优势✓ 机车无需跳主断，大大减轻司机劳动强度；

✓ 机车失电时间小于15ms，无牵引力和速度损失；

✓ 消除坡停、掉入中性区等隐患，提高运输效率；

✓ 无暂态过电压，延长列车电气设备寿命。

✓ 中国铁路总公司2016~2018年牵引供电装备技术研究重大课题


19

✓ 已在神朔铁路正式应用，实现在重载铁路领域全球首创。

✓ 应用效果：神朔铁路为I级重载铁路，年运量超过2亿吨，线路长大坡道众多，最大坡度12‰。

解决了列车在分相区速度损失大、坡停等问题，提升线路运能6%。

装备创新成果——铁路智能电分相装备4


装备创新成果——铁路平衡供电装备4

✓ 两个电压源AC-DC变流器背靠背结构，交流侧分接于变电所两供电臂，直流侧共用电容；

✓ 变流器四象限控制，实现有功功率融通，包括平衡供电、提升供电系统整体容量利用率；

✓ 实现对两供电臂的无功功率补偿、电压稳定控制和谐波治理。


能量融通

装备创新成果——铁路平衡供电装备4

21

✓ 电压等级27.5kV、额定容量2*5000KVA；

✓ 主变接线方式：V/v接线；

✓ 主要问题：交直流机车混跑、客货混运，功率因数

低、谐波含量高、三相不平衡严重、供电容量偏小

系统概况

✓ 功率因数由0.86提高至0.99；

✓ 三相不平衡度由2.7%降低至0.76%；

✓ 谐波电压畸变率由3.8%降低至1.2%；

✓ 每臂供电容量等效提高了5MVA，满足供电需求

应用效果

✓ 已在广州铁路局、神朔铁路推广应用，综合解决供电能力不足、功率因数低、谐波畸变问题。


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装备创新成果——新型交流供电系统4

F1 F2K1 K2

K3 K4

中性段

T1 T2 T1 T2

同相供电

电子开关过分相

变电所“同相供电” 分区所“电子开关过分相”

实现整条线路虚拟贯通同相供电，提高车-网匹配性，提升运营效益。

同相供电

电子开关过分相

✓ 大容量（800A以上）:重载、高速铁路

✓ 中小容量（800A以下）:城际、普铁等

✓ 大容量(10MVA以上):重载、高速铁路

✓ 中小容量(10MVA以内):城际、普铁等


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建议第五部分

三、电力电子器件与装备发展面临挑战

器件1

✓进一步协调“功率 — 频率 —

效率”的关系；

✓硅基功率器件技术成熟，但已

接近硅材料的极限；

✓更高功率容量、更高工作温度、

更高功率密度。

三、电力电子器件与装备发展面临挑战

装备2

✓ 大功率与高集成度、高功率密度；

✓ 低损耗与耐高温；

✓ 满足功率融通、大载流换相、谐波

治理、能量存储等多种功能需求。





建议第五部分

四、发展方向展望

器件1

✓ IGBT技术围绕着如何平衡与优化三者关系，向更大功率、更高密度、更

高可靠性方向发展。导通损耗

（常以导通压减Von或饱和压降VCE-sat衡量）

SOA安全工作区

（包括FBOARBSOA

SCSOA）

开关损耗

（通常以关断损耗占主要，以关断时间Toff来衡量）

相互矛盾折衷设计

不断提升不断降低

不断降低


器件——更高功率密度1

✓ 深亚微米工艺：特征线宽不断缩小，电流密度不断提高

✓ 超结IGBT：类似超结MOSFET，N漂移区变为N-P-N-P-……

✓ 单片集成：将FRD芯片集成到IGBT芯片内部

N型掺杂漏极 P型掺杂阳极+N型缓冲层

加入P注入层

发射极

集电极

门极

门极

发射极

电流检测

门极

温度检测二极管

阴极

阳极


器件——新型封装技术1

✓ 铜金属化技术

✓ 压接式封装结构

✓ 银烧结技术发射极

集电极

PCB

栅极端子

IGBT/FRD 独立子模组单元

陶瓷管壳


器件——第三代半导体材料1

◼ 基于宽禁带半导体材料（SiC）的IGBT

✓ 与硅相比，3倍禁带宽度、10倍临界击穿电场、2倍饱和漂移速度、3倍热导率

✓ 超高耐压等级，10kV以上体现优势，15kV以上综合体现低功耗与快速优点

✓ 目前主要问题之一是衬底材料的制备


装备2

✓开展电力电子变压

器、能源路由器、能

量网卡、能量弹簧、

制动能量回收、大功

率无线充电、中压直

流断路器等关键装备

的研制。

牵引电力电子变压器与无线供电


新型供电系统的试点探索３其他可再生

能源集中储能装置

风光电厂

110kV/220kV变电站

110kV/220kV变电站

火电厂

55kV/27.5kV牵引变电站

55kV/27.5kV牵引变电站

自动过分相装置

站内同相装置

站内同相装置

单相APF/SVG

三相SVC 三相SVG

变电所储能

380V站用电

380V站用电

铁路沿线光伏发电

变电所屋顶光伏发电

光伏空调

分布式储能装置

嵌入式可再生能源

地热发电

变电所智能住宅直流微网





建议第五部分

五、建议

示范项目支持

✓ 联合电网、铁总、地方政府共建铁路和城轨

交通能源互联网。

机制层面

✓ 促进技术的标准建设，构建多方的收益共享机

制，提供政策的支持。

技术层面

✓ 突破铁路与电网信息的融合、系统层面的保

护机制、关键电能变换装置的研发。

中车的，世界的！

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