SiC助力轨道交通驶向“碳达峰”

未来，中国以及全球的轨道交通的电气系统将呈现高频化、小型化、轻量化、集成化、大功率化、高功率密度化的典型趋势，凭借着器件本身和拓扑结构等方面的优势，SiC功率器件在轨道交通中的应用前景光明且广阔。

当前，全球主要国家和地区都已经宣布了“碳达峰”的时间表。在中国，这个时间节点是2030年之前。在具体实现的过程中，轨道交通将是一个重要领域。由于用能方式近乎100%为电能，且带动大量基础设施建设，因此轨道交通的“碳达峰”虽然和工业的“碳达峰”路径有差异，但总体实现时间将较为接近。

当然，“碳达峰”在每一个领域都有狭义和广义的区分。比如在工业领域，一方面是重点企业自身通过节能+绿电的方式实现“碳达峰”；另一方面也需要围绕重点企业的产业链上下游全面实现能耗降低。对于轨道交通也是如此，狭义层面是指轨交工具的“碳达峰”，广义层面则是指所有配送电设施和其他基础建设以及上下游产业链均需要实现“碳达峰”。

轨道交通：SiC 器件特性优异，已在城轨系统中得到应用

在轨道交通领域，牵引变流器、辅助变流器、主辅一体变流器、电力电子变压器、电源充电机等环节均可用到SiC功率器件。由于大型轨道交通工具对载货载客等乘运能力需求较高，对牵引变流器、电力电子电压器等提出了更高的要求。比如在轨道交通的电力牵引系统中，牵引变流器是其中的核心器件，相较于机车大功率交流传动系统过往使用IGBT， SiC 器件具备禁带宽度大、热导率高、电子饱和迁移速率高和击穿电场高、能量损耗更低、耐高温的特性，并且 SiC 器件能有效减轻轨道交通的载重，推进更轻更快更高效的轨道交通系统建设，采用SiC功率器件替代后，整体方案得到显著改善。并且，SiC功率器件可以在更高的频率下切换，系统中的变压器、电容、电感等无源器件的数量和体积明显减小，改善了整体方案的体积和重量，提升轨交机车的能效水平。常用于牵引变流器中SiC 功率器件正逐渐渗透过往以硅基器件为主的轨道交通市场。

根据苏州轨道交通官方的测试数据，苏州轨交3号线0312号列车作为国内首个基于SiC变流技术的永磁直驱牵引系统项目，相较于过往使用IGBT逆变器、三相交流异步电机、车控牵引系统，新一代牵引系统可实现牵引节能20%，系统最大质量减小19%，对我国轨道交通的“碳达峰”进程，有巨大的借鉴和推动作用。

常见的轨道交通场景包括传统铁路、城际轨道以及城市轨道三大类别。根据世界铁路联盟 UIC 统计，截至 2021 年 6 月中国在运营的高速铁路里程数达到3.8 万公里，约占全球总数的 68%。全球在建设或者规划中的高速铁路里程 7.4 万公里，中国建设及规划里程为 2.6 万公里，约占 36%。截至 2020 年，我国机车保有量为2.2 万辆，我国铁路动车组保有量共 3918 组，同比增长 6.9%。不断增长的轨道里程以及存量交通工具器件替代预期是 SiC 切入轨道交通的主要契机。

目前 SiC 器件已在城市轨道交通系统中得以应用，在海外，日本在2021 年下半年推出搭载 SiC 车载设备的 E131 Series 500 系列列车；德国搭载SiC 牵引逆变器的Avenio有轨电车正式投入适用。在国内，2021 年中车株洲所与深圳地铁集团联合自主研发的国内首台地铁列车全 SiC 牵引逆变器；同年，时代电气公告称基于3300V 全SiC 器件的牵引变流器在深圳 1 号线载客运营，牵引能耗降低 10%。未来随着SiC 器件容量的提升，SiC 模块将在轨道交通领域发挥更大的作用。

当然，为了响应轨道交通，以及新能源汽车、储能、光伏、电网等下游领域的发展趋势，SiC功率器件也会持续得到优化。未来，SiC功率器件的发展趋势将分为两个层面。在器件本身，SiC功率器件将继续强化在高频、高耐压和高集成等方面的优势，提升器件在各行业中的渗透率；在产业层面，由于SiC器件的制造成本中，SiC衬底成本占比50%，因而提高衬底生产速率及良率将是后续产业的重中之重。随着SiC功率器件的性能逐渐优化，产能继续爬坡，轨道交通、新能源汽车、储能等下游领域将广泛受益，为各产业实现“双碳目标”提速。