高速列车采用了什么高新技术？

当人们看到具有流线型华丽外表的高速列车，以300千米的时速从身边呼啸而过时，都会感到惊叹不已。人们不禁会问，高速列车何以能有如此高的速度呢？

高速列车跑得快，必须具备以下条件：要有大功率的牵引动力拉着列车跑；要求车辆又轻又稳；由于列车阻力与速度平方成正比，所以必须采用流线型车体以减少阻力等一系列措施，才能实现列车高速运行；列车跑得快，还要能及时停下来，因此高速列车不像普通列车那样依靠闸瓦与车轮摩擦力来制动，而要采用先进的综合制动手段；高速列车在线路上高速行驶，必须确保运行安全，这就要有一套确保安全的运行指挥系统，同时高速铁路的轨道、桥梁的结构与技术条件必须满足高速列车高速行驶的要求；高速列车向旅客提供高档次的旅行服务，所以需要具备相应的服务设施等等，高速列车又是怎样满足这些要求的呢？

原因是高速列车采用了各种最新的高新技术成果。它集机械、电子、控制、通讯、空气动力学、环境保护等一系列学科的精华，综合利用了电子计算机、信息技术、新材料、电力电子元件等多种新产品，使之成为世界上仅次于飞机的高速交通工具。下面就让我们来看看高速列车究竟采用了哪些高新技术。

（1）牵引动力装置的重大突破。

高速列车要达到高速运行，必须具有大功率的牵引系统。目前普通旅客列车所需牵引功率大约为2000~3000千瓦。如果列车行车时速要达到300千米以上，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。随着近代大功率电力电子半导体元件及电子计算机控制技术的发展，出现了大功率交—直—交变流技术。

高速列车所需要的牵引调速性能，不像汽车那样采用简单的机械变速传动方式，而是采用“电传动”方式，即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”电传动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，它具有可实现大功率、交流电机重量轻、少维修、利于轮轨粘着、易实现再生制动等优点，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”变流及逆变器元件的迅速发展，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，进而采用高压绝缘双极晶体管及智能功率模块等，使逆变器性能及机车控制等得到进一步改善。

（2）动力性能优良的高速转向架。

高速列车走行性能是极为重要的。它要求列车即使在有一定不平顺的线路上运行时，列车本身的振动和线路激扰的振动都要被衰减在一定水平以下。要达到这一要求，必须有性能优良的转向架。为此，必须对转向架各悬挂参数进行优化设计。

设计师们利用计算机仿真技术在计算机上对列车的运动进行模拟分析，通过改变转向架的悬挂参数得到不同的结果，从而可以选取最佳的参数，并对其进行合理匹配，再在试验台上进行滚动试验和在线路上进行运行试验，以进一步验证。为了使列车能高速平稳运行，对转向架的制造和组装精度要求非常严格。国外高速列车要求同一轮对左右滚动圆直径之差小于0．2毫米，这远比一般列车高很多，所以必须要具有高水平的制造技术。目前一些技术比较先进的国家，已经能够制造出在时速300千米以上仍具有良好走行性能的高速转向架。

（3）采用新材料使列车轻量化。

为了抵消高速所引起的动力作用，降低高速列车的轴重（即列车轻量化）非常必要。降低轴重对减轻地基的振动，减少线路的破坏和维修工作量等非常有效。同时，降低轴重还可以起到减少能耗的效果。降低轴重除了进行结构优化设计外，采用轻型材料也是非常有效的方法。目前高速列车车体采用的材料有耐候钢、不锈钢、铝合金等。在轻量化上不锈钢优于耐候钢，铝合金又优于不锈钢。在车体内装饰上，广泛采用玻璃纤维加强塑料、聚氨酯等高分子复合材料，这些新材料的采用，大大降低了列车内装饰的重量。流线型的高速车体外形由于高速列车的高速运行，空气动力学问题在高速铁路中占有很重要的地位。由于空气阻力与运行速度的平方成正比，当列车以时速300千米运行时，其空气阻力约占列车全部阻力的80％，所以高速列车头形必须进行流线化设计，并考虑车体表面平滑化等各种减阻措施。

同时，高速列车也必须考虑气密性与气密强度问题。高速列车的空调通风系统，不但要把车外新鲜空气提供给车内，而且在车外空气压力变化时，还要具有保持车内压力基本不变的功能。另外，列车在进入隧道后车外压力变化很大也很突然，给高速列车换气系统的设计制造带来了困难。目前国外高速列车在通过隧道时，采取关闭换气口，设板簧压力保护装置和有源压力保护装置等措施，可以满足高速运行条件下既能换气通风又能起到压力保持作用。为满足舒适度要求，不使乘客耳膜有不适感，高速列车对车厢内空气压力的变化幅度和变化率都有严格规定，也就是要求压力变化率小于每秒300帕，最大变化幅值小于1000帕，以免乘客产生类似飞机降落时的耳膜不适。

（4）高性能的安全制动装置。

列车运行的运动能量与速度的平方成正比，如列车自重700吨，以时速300千米运行，其具有的动能为2430兆焦耳，高速列车制动系统必须在一定时间内将这些能量转化为热量耗散掉，或将牵引电动机变成发电机把机械能转化为电能反馈回电网。

利用摩擦直接将动能转化成热量的制动系统称为机械制动系统，转化成电能反馈给电网的制动系统称为再生制动系统。高速列车的机械制动系统大多为盘形制动，它是用锻钢或铸钢制成的钢盘安装在车轴或车轮辐板上，利用粉末冶金闸片与制动盘摩擦产生热量来耗散能量。高速列车制动系统需要消耗巨大的能量，单独依靠机械制动系统很难满足要求。目前大多数高速列车都有再生制动系统，并且在制动时优先使用再生制动。

除了机械摩擦制动和再生制动外，在高速列车上常用的还有磁轨制动与涡流制动。磁轨制动是给悬吊在转向架上的电磁铁通电后，使其与钢轨间产生吸力，牢牢地吸在钢轨上，靠电磁铁与钢轨间的摩擦来制动。涡流制动是依靠涡流线圈与钢轨间相互作用产生的磁吸引力进行制动。磁轨与涡流制动可在高速下增加制动力。总之，高速列车必须采用综合制动手段，以达到高速下的制动要求。

（5）可靠的供电受流技术。

高速列车绝大多数都是电力牵引，高速受流也就是在列车行驶中获得稳定的供电，这是开发高速列车需要解决的问题之一。高速列车运行中需要由地面供电系统通过接触网经受电弓获得电能，牵引列车运行。这种受流方式只能依靠受电弓在接触网导线上滑动获得电流，因此，保持受电弓与接触网导线良好的接触，以使列车能够连续获得电流是至关重要的。

由于接触网的不平顺或受电弓的振动，会使得受电弓与接触网导线瞬时离开，这种现象一般用离线率，即受电弓离线时间与整个运行时间的比来表示受流的质量。受电弓与接触网导线离线不仅恶化受流质量，还会使受电弓与接触网导线间产生电弧、增加噪声、电蚀接触网导线和受电弓滑板，从而降低接触网导线使用寿命。在列车行驶的震动中仍能保持良好的接触是高速列车受流所应该解决的问题。为保证受流质量，接触网导线的波动速度至少要大于1．4倍的列车速度。这是由于接触网导线是柔性悬链线，它在受电弓抬升力的作用下，导线发生变形而出现波动，这种波动会沿接触网导线方向传递。提高接触网导线的波动速度可用增加导线的张力和降低其线密度来实现。因此，高速铁路接触网导线必须具有高强度低重量，并具有较好的平顺性。

对高速列车来说，性能优良的受电弓是非常必要的。目前可以用计算机数值模拟技术，对受电弓与接触网的震动进行模拟分析，优化选择受电弓与接触网的各种参数。

（6）智能化的检修技术。

高速列车要高效率地运行，必须做到能快速维修、少维修甚至无维修。如德国高速列车在回检修基地前100千米处，就根据列车监视、故障诊断的结果，通过信息系统传递给检修基地，在列车还没有到达之前已经做好了一切检修准备。

各国高速列车正在将维修保养方式由定期检查逐步转向事后处理，这就给车辆设计提出了更高的要求。一般设计师通过进行多重系统设计来解决问题，也就是设有两套以上备用系统，紧急时备用系统投入运用。

先进的故障诊断及地面信息管理系统是实现车辆状态维修的前提。目前各国高速列车都做到了3000千米以内不需任何维修，一般预防性维修大多以模块化换修为主，以节省列车维修停车时间，提高列车使用效率。

（7）全新的环保技术。

高速列车速度高，产生较大的噪声、振动、电磁干扰等现象。所以发展高速列车必须采取各种环保技术，制订防止噪声、振动和电磁兼容的对策，对列车内、外的环境条件都有明确的标准。同时，排污问题也不能采用普通列车的开放式排污方法。目前高速列车大多采用与飞机相同的集便系统，按类型有循环式、喷射式和真空式。在车辆基地有污物处理系统，使其达到国家规定的排放标准后向外排放。

铁路电网采用轨道供电的电气化铁路通常铺设有额外的供电轨道，用来连接电网和机车，为机车提供电力供应，亦被称为第三轨供电，这条轨道被称为第三轨。

高架电缆

高架电缆连接在电气化铁路的供电电网上，分为柔性和刚性两类，电力机车或动车组通过架式集电弓连接接触网，从其中取电。

架空电缆和高架电缆是香港和台湾的说法，在中国大陆通常被称为接触网供电。在中国大陆，架空电缆和高架电缆一般是指高压输电线路。

两种导线类型，最终都通过列车正常的运行轨道接地形成回路。也有少数铁路使用第四轨（例如伦敦地铁）作为电流回路。

高架电缆有个好处，就是同时能当高压输电道，如日本京急线。

直流

早期的电气化铁路采用电压相对低的直流供电。机车或动车组的电动机直接连接在电网主线上，通过并联或

串联在电动机上的电阻和继电器来进行控制。

通常有轨电车和地铁的电压是600伏和750伏，铁路使用1500伏和3000伏。过去车辆使用旋转变流器来将交流电转换为直流电。一般使用半导体整流器完成这个工作。

采用直流供电的系统比较简单，但是它需要较粗的导线，车站之间距离也较短，并且直流线路有显著的电阻损失。

荷兰、日本、澳大利亚、印尼、马来西亚的一些地区、法国的少数地区使用1500V的直流电，其中，荷兰实际使用的电压大 约有1600V到1700V。

比利时、意大利、波兰、捷克北部、斯洛伐克、前南斯拉夫、前苏联使用3000V直流电。

低频交流电

一些欧洲国家使用低频交流电来给电力机车供电。德国、奥地利、瑞士、挪威和瑞典使用15千伏16.67赫兹(电网频率50Hz的三分之一)的交流电。美国使用11千伏或12.5千伏25赫兹的交流电。机车的电机通过可调变压器来控制。

工频交流电

匈牙利曾经在二十世纪三十年代在电气化铁路上使用50赫兹的交流电。然而直到五十年代以后才被广泛使用。

一些电气化机车使用变压器和整流器来提供低压脉动直流电给电动机使用，通过调节变压器来控制电动机速度。另一些则使用可控硅或场效应管来产生突变交流或变频交流电来供应给机车的交流电机。

这样的供电形式比较经济，但是也存在缺点：外部电力系统的相位负荷不等，而且还会产生显著的电磁干扰。

中国、法国、英国、芬兰、丹麦、前苏联、前南斯拉夫、西班牙（标准轨高铁路段）、日本（东北、上越、北海道新干线及北陆新干线轻井泽以东）、使用单相25千伏50赫兹电力供应，台湾高速铁路、台湾铁路管理局、韩国、日本（东海道、山阳、九州新干线及北陆新干线轻井泽以西）使用单相25千伏60赫兹电力供应，而美国通常使用单相12.5千伏和25千伏60赫兹的交流电。另外日本东北、北海道地区使用20千伏50赫兹交流电，北陆地区、九州地区使用20千伏60赫兹交流电。

在视频开始之前，小鲸先问问大家：

你们觉得电动车里面，最核心的部件是什么？

给大家几个选项

1.电池

2.电机

3.其他部件

我目测选2的人会比较多，那么先恭喜你们答对了！

但是电机里面最核心的部件，你知道是什么？

嗯，它就是咱们这一期视频的主角-IGBT芯片。

那么IGBT究竟是何方神圣？

所谓IGBT就是绝缘栅双极型晶体管。

它是由BJT，也就是双极结型晶体三极管 和MOS，也就是绝缘栅型场效应管组成的复合全控型-电压驱动式-功率半导体器件。

是不是听的有点晕？

首先小鲸先给大家科普下，半导体器件分类。

它主要有两种分类方法，是否可控和驱动方式。

是否可控里面又细分：

不可控型，也就是不能用控制信号控制其通断，比如普通功率二极管。

半控型，也就是可以控制导通，但是不能控制关断，比如普通晶闸管。

全控型，也就是可以控制其导通和关断，比如IGBT。

驱动方式方面，又分为电流驱动，也就是可以通过电流信号控制导通和关闭，比如三极管BJT。

电压驱动，也就是可以通过电压信号控制导通和关闭，比如IGBT。

细心的粉丝可能注意到，小鲸我前面说到IGBT是晶体管呀，那么它算不算芯片呢？

咱们拿华为麒麟990 5G芯片来举例。

它的芯片面积为113.31平方毫米，这么小的地方集成了多达103亿个晶体管。

可以看到芯片是由大规模晶体管组成的，所以严格来说，单个IGBT不能归为芯片，而是功率半导体器件。

现在一般说IGBT芯片，是指包括了IGBT功率器件和其他很多东西组成的。

IGBT的主要工作是控制和传输电能。

它可以处理6500W以上的功率，并且工作时可以在短短1秒的时间内，实现10万次电流开关动作。

千万不要小看它这个功能哦！

目前的电动车，之所以不需要设计复杂的发动机与变速箱等机械系统，IGBT的存在,可谓大功一件。

并且IGBT芯片，和咱们日常提到的7nm,5nm集成电路芯片一样，也是国家02专项的重点扶持项目。02专项就是指"十二五"期间国家16个重大技术突破专项中的第二位。

也就是说，这块芯片是目前功率电子器件里技术最先进的产品。

就拿我们常用的电脑举个例子。

电脑想要做高速运算的话，它需要CPU。

那像咱们高铁或者电动车这样的驱动，也是需要一种器件，去作为电流的变换，而IGBT就是作为电能变换的这么一个CPU。

据统计，我国发电总量的60%都用在了各类电机上。

如果采用IGBT器件对电机进行变频调速，电机耗费的电能可以节能大约1/3，即可节约全国总发电量的20%，相当于新建5个三峡大坝的效能。

根据工作电压的高低，IGBT 模块一般被划分为三类。

低压600V以下

中压600V-1200V

高压 1700V-6500V

低压IGBT模块一般用于消费电子、 汽车 零部件领域。

中压IGBT模块一般用于新能源 汽车 、工业控制、家用电器等领域。

高压IGBT模块一般用于轨道交通、新能源发电、智能电网等领域。

在电动车方面，IGBT成为电动车电驱系统的大头，成本直接占去了一半。

而电驱系统在电动车整车的成本占比约为15-20%，这意味着单单是IGBT就占去了整车成本的7-10%。

IGBT有多重要？

举个形象的比喻，它就好像管你寝室供电的宿管大爷。

什么时候给电，什么时候拉闸，大爷轻车熟路。具体给多少电大爷也管，你要是用电不规范，偷偷用大功率电器，通报批评没商量。

具体来说，IGBT可以直接控制直流、交流电的转换。决定了驱动系统的扭矩以及最大输出功率。所以你这车加速能力怎样，最高时速多少，能源效率如何全看它。

举个例子：

比如在电动 汽车 特斯拉Model 3上面，提供电源的是密密麻麻的电池，这些电池提供400伏直流电。

而电动车的电机转动必须用交流电，通过改变电机交流电的频率来改变电机的转速，从而精准的控制车辆行驶的速度和加速能力，这背后都是IGBT的功劳。

再比如高铁上面。

在火车运行中，要在短时间内将速度从零提升到300公里以上，或者在极短的时间内将正在高速行驶的列车平稳停下来。

这看似简单的加速、减速过程，背后需要一系列相关传动设备，牵引变流器以及其他电动设备的配合才行。而这就需要确保各种设备所需的电流、电压极为精准可靠。

在目前技术条件下，只有大功率的IGBT，才能满足这一苛刻要求。

而且在减速过程中，通过IGBT的作用，还可以将列车减速产生的能量转为电能回馈给电网。

可以说，IGBT的装置就是列车运行的"心脏"。

那么IGBT的研发难不难？

跟传统手机芯片研发一样。

IGBT 行业的上游产业主要包括半导体材料，比如硅片、光刻胶等等。以及相关设备比如光刻机、刻蚀机等等。

IGBT行业根据芯片制造的工序，又可依次划分为芯片设计、晶圆制造、模块封装与测试三个环节。

不过，IGBT芯片相较于手机芯片的制造工艺及设备来说，要求没有这么高。

另外不同功率等级的IGBT芯片，也有不同的尺寸大小。一般来说，功率等级越高，芯片的尺寸就会越大。

目前IGBT 产品最具竞争力的生产线是8英寸和12 英寸。

世界最为领先的厂商是德国英飞凌，已经在12英寸生产线量产IGBT 产品。

国内晶圆的生产企业绝大部分，还停留在6 英寸产品的阶段。目前国内实现8英寸产品量产的有深圳比亚迪、株洲中车时代和华虹宏力。但其产品良率与国际龙头相比还存在一定差距。

最后是IGBT行业的下游产业。

它包括广泛的各细分应用市场，IGBT 在工业控制、新能源 汽车 ，消费电子、电力储能、轨道交通，家用电器等领域均有大量应用。

IGBT的技术，过去长期被极少数经济发达国家所垄断。

比如我国机车车辆使用的IGBT模块都要从德国、日本进口，特别是在高等级的IGBT器件上。

2008年我国的第一条高铁京津城际铁路开通，随后又开通了更多的高铁线路，对IGBT的需求成倍增加。

一个8列标准动车组就需要152个IGBT芯片，光这个芯片的成本就高达将近两百万元，每年中国高铁制造需要向国外采购十万个以上IGBT模块，采购资金超过12亿元人民币。

2014年6月，经过6年的不懈努力，由我国自主研制并具有完全知识产权的8英寸IGBT芯片成功下线。

打破了大规模半导体没有自主芯片的 历史 ，预示着我们的高铁拥有了第一颗"中国芯"。

最后小鲸我想说：

十多年前，IGBT芯片基本是欧洲和日本的天下。

高铁用的IGBT被日本三菱重工垄断，电动车的IGBT被德国英飞凌垄断。

而如今国内各类企业开始加紧，对IGBT芯片进行自主研发。其中比较有名的就是深圳比亚迪，株洲中车时代电气，杭州士兰微等等。

目前复兴号所涉及的高速动车组的254项重要标准中，中国标准占到了84%。

高铁跑得快，全靠电机带。

其中复兴号的心脏也就是牵引电机。它拥有1152个IGBT芯片，这种能让高铁平稳运行的芯片，目前株洲中车自主研发的生产线，每年可以生产50万个。

中国中车生产的IGBT芯片，不仅可以满足自己的需求，还可以达到出口国外的标准，也已达到世界一流水平。

不得不说，中国标准的意义就在于每一项核心突破，拉动的都是整个体系的升级。而一个个体系的升级，最终使得中国制造走向全球。

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