中车时代电气：全SiC MOSFET 器件在轨道交通变流装置中的应用研究

全SiC MOSFET 器件在轨道交通变流装置中的应用研究

徐绍龙，胡云卿，窦泽春，李华，彭程，万伟伟

株洲中车时代电气股份有限公司，湖南 株洲

摘要

在全球气候变化与能源结构转型的背景下，轨道交通系统低碳化发展已成为国家战略核心议题。我国《“十四五”现代综合交通运输体系发展规划》等政策明确要求轨道交通装备向电气化、智能化升级，而全SiC MOSFET器件凭借其优异性能成为突破能效瓶颈的关键技术。文章系统分析了SiC 器件在轨道交通牵引及辅助变流系统中的应用优势与挑战。相较于传统Si IGBT，SiC 器件通过导通压降降低、高频及耐高温特性，显著提升系统能效并实现装置轻量化。国内深圳地铁等项目验证了SiC 系统在谐波抑制、动态响应优化及热管理简化方面的综合效益。然而，SiC 器件的高温兼容性、驱动设计、电磁干扰及绝缘老化等问题仍需突破。文章可为国家轨道交通绿色发展战略提供技术路径与工程化参考。

关键词

全SiC MOSFET器件；变流器；电磁兼容；噪声；轨道交通

基金项目

国家重点研发计划项目（2022YFB4300103）

引用格式

徐绍龙, 胡云卿, 窦泽春, 等. 全SiC MOSFET器件在轨道交通变流装置中的应用研究[J]. 机车电传动, 2025(3): 1-10.DOI:10.13890/j.issn.1000-128X.2025.03.001.

引言

在全球气候变化与能源结构转型的双重压力下，绿色低碳已成为现代轨道交通发展的核心命题。我国近年来密集出台的顶层政策文件，从战略高度明确了轨道交通领域节能减排的技术路径与实施目标。2022年国务院发布的《“十四五”现代综合交通运输体系发展规划》[1]明确提出，到2025 年交通运输二氧化碳排放强度需降低5%，要求轨道交通装备全面向电气化、智能化方向升级。交通运输部配套制定的《绿色交通“十四五”发展规划》[2]进一步细化技术指标，强调在5 年内轨道交通系统能耗强度需较2020 年下降10%。中共中央、国务院印发的《交通强国建设纲要》[3]更将“绿色高效”列为发展主线，提出构建全生命周期碳排放管控体系，要求关键设备能效水平达到国际先进标准。这一系列政策构建起多维度的约束性框架，凸显出轨道交通动力系统革新与能源利用效率提升的紧迫性。

国际社会在轨道交通低碳转型领域已形成系统性的技术布局。欧盟通过“可持续与智能交通战略”规划，将SiC MOSFET 器件列为轨道交通电气化重点突破技术，其中德国西门子研发的 Velaro Novo 高速列车采用全SiC 牵引变流器、辅助变流器，实现牵引系统能耗降低5%[4]；日本《2050 年碳中和绿色增长战略》推动新干线列车应用全SiC MOSFET 器件，实现牵引系统变流装置的小型轻量化[5-6]。国外应用经验表明，以宽禁带半导体为核心的新型电力电子技术已成为轨道交通能效瓶颈的关键突破口。

在此背景下，SiC 功率器件的产业化应用与轨道交通绿色发展战略深度耦合。相较于传统Si 材料，SiC 材料具备3 倍导热率、10 倍击穿场强等物理特性优势，可使变流器开关损耗降低、系统体积大幅减小，直接对应《交通领域科技创新中长期发展规划纲要（2021—2035 年）》[7]提出的“高效能量转换”与“轻量化集成”技术目标。当前我国轨道交通装备中SiC MOSFET器件渗透率不足5%，核心模块仍以进口为主，这与规划纲要[7]强调的“关键核心技术自主可控”要求存在显著差距。因此，开展SiC MOSFET 器件在轨道交通场景下的应用研究，不仅关乎能源利用效率提升的技术可行性，而且是构建自主产业链的战略需要。

本文基于国家战略需求与国际技术趋势，系统分析SiC MOSFET 功率器件在牵引、辅助变流装置等核心系统中应用的关键技术及特性，为推进SiC MOSFET器件在轨道交通牵引变流装备中的工程化提供支撑。

内容结构

作者简介

徐绍龙，博士研究生，正高级工程师，中国中车轨道交通牵引传动控制及新能源技术领域的核心领军人才，现任株洲中车时代电气股份有限公司执行董事、总经理。长期致力于轨道交通牵引电传动系统技术开发及成果产业化工作，主持或核心参与“复兴号”中国标准动车组、时速600公里高速磁浮、大功率动力集中动车组牵引控制系统研制、自主化IGBT技术与工程化应用研究，带领团队攻克系统状态辨识、IGBT寿命预测等技术难题，为我国轨道交通牵引控制技术实现从跟随到引领做出突出贡献。主持参与国家级科技项目5项；申请发明专利50余项，发表专业论文10余篇；获得中国铁道学会铁道科技一等奖、湖南省科学技术进步奖一等奖、茅以升科学技术奖、湖南省芙蓉计划科技创新领军人才、火车头奖章等荣誉奖项。