四万亿重投高铁建设，元器件企业和工程师的机遇与挑战
中心议题
- 高速机车对电力电子器件的需求
- 电力电子器件的最新发展趋势
- 高速列车电子系统设计师需要注意的问题
解决方案
- IGBT在交-直-交变流传动系统中应用广泛
- 一些军工企业的工业级器件可以被用于高速机车
- 工程师设计时要注意到高速机车对电子系统的特殊要求
四万亿已经成为最近一段时间的流行语，这四万亿投资中很大一部分将流入高速铁路建设领域，电子行业作为现代工业的基础保障性行业，自然不会缺席这场规模空前投资盛宴，建设高速铁路，需要现代化的路网指挥系统、现代化的高速机车，这些都和电子元器件尤其是大功率电力电子器件密不可分，为相关的元器件企业提供了市场机会；同时也要求电子工程熟悉这些器件的特性和相关系统的设计要求。
高速列车对电力电子器件的要求
在高速铁路建设拉动的三大行业(钢铁、工程机械、机车)中，无疑机车行业和电子元器件企业关系最大，高速列车电传动系统是高速列车的核心系统之一，而该系统之所以能够迅猛发展，首先是得益于电力电子器件的发展，它为交流调速奠定了基础。
高速列车要达到高速运行，必须具有大功率的牵引系统。如果列车行车速度要达到每小时300公里以上，高速列车牵引功率大约在10000千瓦左右。这样大的高速列车功率，通常只有用电力牵引才能获得。机车从电网获得电能(或将机车发动机的机械能转变成电能)，然后通过变流器调节该电能的电压、频率等实现电动机调速，带动列车轮对旋转使列车前进。
电传动系统一般分为"交-直"和"交-直-交"等类型。"交-直"电传动是将机车从供给电能的接触网经受电弓获得的交流电，再经整流器将其变成电压可调的直流电，供给直流电机牵引列车，通过改变电压实现变速。但由于直流牵引电动机结构复杂，电刷易磨耗，维修量大，单位重量比功率小等原因，不适合高速列车。
而"交-直-交"电传功是将获得的单相交流电，经变流器变成直流电，再经逆变器将直流电变成电压和频率都可调的三相交流电，供给三相交流电动机，驱动列车。当今高速列车都采用"交-直-交"电传动方式，因它具有一系列优点:可实现大功率、交流电机重量轻、少维修、利于轮轨粘着、易实现再生制动等，这些都是高速列车希望获得的性能。如再生制动能将高速列车巨大的动能通过电动机转变为发电机工况运行，使列车动能被利用，重新转化为电能，反馈回电网，具有较好的经济性。尤其是当前"交-直-交"变流及逆变器元件发展迅速，十几年来从可控硅晶闸管发展到大电流门极可关断晶闸管(GTO)，进而采用高压绝缘双极晶体管(ICBT)及智能功率模块(IPM)等，使逆变器性能及机车控制等得到进一步改善。
目前电力电子器件正在向大功率化、高频化、模块化、智能化的方向发展，其中应用于高速列车交流调速的智能功率模块IPM采用IGBT作为功率开关，该模块含有电流传感器、驱动电路及过载、短路、超温、欠压保护电路等，实现了信号处理、故障诊断、自我保护等多种功能，它具有体积小、重量轻、可靠性高、使用维护方便等优点，将被广泛用于牵引领域。而研制始与上世纪70年代的GTO元件，更是已经被广泛用于目前的高速列车中。
元器件选型和系统设计要点
高速列车的电子系统设计是一门专门的学问，相应的工程师在选择相应器件和进行系统设计时要注意以下问题：
•需要根据所需的牵引功率选择满足要求的功率器件
•需要认真地考虑元器件的使用环境，包括震动、温度、湿度等
•机车上动力电缆多，电磁干扰较强，需要注意系统的EMI和EMC问题
•机车使用环境要求高可靠性，需要选择满足工业标准的电子元器件
•为了实现高可靠性，需要特别注意电路保护设计和设置必要的系统冗余
•在元器件选择和系统设计时，要考虑到机车进一步升级换代的需要
国内大功率电力电子元件的发展现状
遗憾的是，作为目前我国尚不能制造的高速列车部件(车轮、车轴、IGBT)中的一种，我国的国内企业还没有一家可以完全生产IGBT,目前国内只有西安电力电子技术研究所和美国国际整流器公司(IR)合资的西安爱帕克电力电子有限公司可以封装生产IGBT模块，该公司采用美国IR公司的封装技术，芯片由美国IR公司提供，主要生产设备和测试设备以及关键原材料从美国、日本、德国和意大利进口。
显然，我们仍不掌握IGBT生产的核心技术。当然，国内企业在大功率电力电子器件的研制上也取得了一些进步，除了上面提到的西安电力电子研究所，株洲南车时代电气公司立足IGBT应用技术，消化吸收国外先进技术，在大功率IGBT的可靠性研究和试验等关键技术上取得了突破，为IGBT的封装和芯片研究打下了较好的基础。至于GTO元件，国内很多厂家都可生产，比如以上提到的南车时代电器，不过电力机车采用IGBT器件取代GTO将成为趋势（原因见，附：IGBT用于高压大容量的电气传动领域的技术优势），国内元器件厂家要想在该领域内分享市场还需做出很大努力。
高速列车中的连接器
a.通用连接器
另外连接器也是高速列车中用量较大的电子元器件，也为连接器领域的一些技术领军企业提供了机会，比如贵州航天电器。该公司生产的连接器已经被神舟飞船和嫦娥绕越探测卫星等航天应用选用，而且也大量使用在舰船等需要高可靠性要求的军用场合，从技术上用于高速列车应用应该没有问题。该公司在05年就投入资金于主要为通讯、交通应用的第三代PCB印制板连接器，通讯、交通用射频同轴连接器以及线缆组合及其他通用连接器的研发工作，在该领域深耕多年。
b.光纤连接器
光纤是列车通信网络的主要介质之一，采用光纤传输的优点是：
•抗电磁干扰的能力强，
•可以提高传输频率和扩大通信的信息量。
缺点是：
•需要有光电转换的专门接口，连接时接口要对准
•透镜上不能沾上灰尘、水汽和油污，否则会影响信号的衰减和光的传播乃至通信失败。
300系列电动车组在光纤通信可靠性方面曾经遇到过一些麻烦，要求光纤连接器的拆卸须有严格的防污措施。然而实际上，由于车厢内的光纤接口维护比较容易，且机车上动力电缆多，电磁干扰较强，机车上的车厢总线介质采用光纤比较好。
ADtranz公司的车厢总线就采用了光纤，我国TM1机车上的车厢总线也采用了光纤。日本的列车总线和车厢总线也都采用光纤。光网络的应用除了给光纤企业带来机会，一些从事光无源器件的厂家也可以从中受益，比如中航光电公司等，该公司可以生产系列的光无源器件，包括光纤连接器等。
本文小结
目前来看，高速列车使用的大功率电力电子器件是我国电子元器件的弱项，国内企业想在该领域占据大的份额比较困难，而如通用连接器、光纤连接器等无源器件，国内的一些技术领先企业，尤其是军工企业有望占据一定的市场份额，成为这些企业转战军转民市场的又一领域。另一方面，从事机车电子系统设计的工程师将在接下来的几年里恐怕会空前的忙碌，一方面由高速列车的速度要求带来的电力牵引动力需求会对他们提出挑战，另一方面，高速列车的网络通信系统、信息娱乐系统也会为从事相关行业的电子工程师开辟一个新的用武之地。
附：IGBT用于高压大容量的电气传动领域的技术优势：1) 可以进行高频开关控制 IGBT 开关频率到20k～50kHz，而GTO一般不过几百赫兹，频率提高可使系统实现低噪声和小型化。2)通过电压驱动，控制简单，驱动功率小。由于IGBT 是M O S 与双极型复合器件。它具有MOSFET 高输入阻抗特性，可以通过电压驱动。而GTO的关断门极电流可达导通电流的20%～50%。它的驱动电路需要专门设计。3)IGBT易于并联，可做成模块化的IPM，以简化装置结构。这方面三菱公司已有产品推出。
