這一期番外番，編號比較特殊，數(shù)字前面加的V代表VVVF（日語：可變電壓可變周波數(shù)制御）。本期為概覽性質(zhì)，介紹不同的VVVF用器件及世界范圍的VVVF分布，以后則會按廠家細(xì)講（V02東洋電機(jī)制造、V03三菱、V04日立（含永電捷通）、V05阿爾斯通（含龐巴迪）、V06西門子（含縱橫機(jī)電）、V07中車時代、V08其他）。

VVVF使用GTO、IGBT、SiC MOSFET等一些模擬電子器件進(jìn)行調(diào)頻，實現(xiàn)電機(jī)的驅(qū)動，在GTO之前曾使用RCT（Reverse Conducting Thyristor，逆導(dǎo)通晶閘管，如熊本市電8200系、札幌市電8500系）甚至SCRS（Silicon Controlled Rectifier Switch，交流晶閘管開關(guān)，如赫爾辛基地鐵M100系）作為變流元件。目前VVVF處于IGBT和SiC的過渡階段，IGBT是主流，SiC也有一定范圍的應(yīng)用。

可關(guān)斷晶閘管（GTO）

GTO也稱門控晶閘管，是晶閘管的一種派生器件，和普通的單向晶閘管一樣由PNPN四層半導(dǎo)體構(gòu)成，外部有三個電極：門極G、陽極A和陰極K。門極加正脈沖信號觸發(fā)管子導(dǎo)通，加負(fù)脈沖信號觸發(fā)管子關(guān)斷。

GTO既保留了普通單向晶閘管耐壓高、電流大的特性，又具備了自關(guān)斷能力，且關(guān)斷時間短，不需要復(fù)雜的換向電路，工作頻率高，使用方便，成為VVVF早期應(yīng)用的主流形式。

GTO也可以用于斬波調(diào)壓控制（電機(jī)子chopper制御），采用這種驅(qū)動方式的車型有釜山都市鐵道1號線部分列車、北京地鐵GTO型、港鐵都城嘉慕制早期列車等，不在本期的討論范圍。

國內(nèi) GTO-VVVF 分布現(xiàn)狀

港澳臺：港鐵的東涌線/機(jī)場快線的CAF制早期列車搭載AEG GTO（GEATRAC DASU6.1）；臺北捷運的301型原為西屋GTO，在2013～2017年間已陸續(xù)更換為龐巴迪IGBT，目前僅余321型為西門子GTO。

大陸：北上廣三地均（曾）使用過。

北京地鐵最早搭載VVVF的復(fù)八線（現(xiàn)為1號線的一部分）配車DKZ4（原B4000）原為東洋后期GTO（RG644-A-M，牽引4段+制動7段，另開專欄敘述）。2015年，DKZ4的GTO全部更換為東洋IGBT，自此GTO在北京絕跡，東洋GTO也在中國絕跡。

目前中國大陸保有的幾種GTO-VVVF全部搭載于安達(dá)-西門子模塊化列車，其中申通兩種：1號線01A03（AC01A和AC01C）和2號線02A01（AC02），均為西門子GTO（G1500 D1150 580 M5-1）；羊角一種：1號線A1（大西未更新車，AEG原設(shè)計安達(dá)制GTO【注意不是西門子】：GEATRAC DASU6）。

國外 GTO-VVVF 分布現(xiàn)狀

日本：VVVF技術(shù)傳入后，三菱、日立、東洋均曾研制出大量產(chǎn)品。目前保有相當(dāng)數(shù)量的GTO-VVVF，著名的有京急1000系“唱歌電車”（西門子GTO，已絕跡）、阪急8000系（東芝GTO）等。

韓國：首爾、大邱、釜山均有GTO-VVVF分布，主要為西門子和GEC阿爾斯通（現(xiàn)在阿爾斯通的前身，吸納了英國通用電氣公司）。

新加坡：C651（搭載西門子GTO）是新加坡首款采用GTO-VVVF的車型。值得一提的是，臺北捷運321型為其衍生車型。

歐洲：GTO-VVVF在地鐵上的應(yīng)用反而不如鐵路上的應(yīng)用廣泛。倫敦地鐵的中央線1992型搭載ABB GTO，銀禧線1996型搭載GEC阿爾斯通GTO；巴黎地鐵的MP05型和MP89型（均為膠輪）也搭載GEC阿爾斯通GTO。

美洲：僅有零星分布，如圣保羅都市鐵道3000系的西門子GTO（另一種“唱歌電車”，G3000 D2330/500 M5 rfz）、費城地鐵的ABB GTO、達(dá)拉斯輕軌100系的西屋GTO、多倫多地鐵2號線T系列車的AEG GTO（西屋原設(shè)計）與3號線S系列車的UTDC GTO（可視為龐巴迪GTO的一種）。

GTO的導(dǎo)通壓降大，門極觸發(fā)電流也大，導(dǎo)致無論是在導(dǎo)通還是關(guān)斷狀態(tài)功耗都比較大，因此在VVVF領(lǐng)域正逐漸被IGBT所取代。

絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）

雙極型晶體管（BJT）和金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管（MOSFET）這兩種模擬電子技術(shù)中的常用器件各有其優(yōu)缺點：BJT載流密度大，但驅(qū)動電流較大；MOSFET驅(qū)動功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。將BJT與MOSFET融合，得到IGBT。IGBT的外部同樣有三個電極，即柵極G、集電極C和發(fā)射極E。

下圖為IGBT的剖面圖，可以看出IGBT的溝道在緊靠柵區(qū)邊界的部分形成。漂移區(qū)上方的P區(qū)稱為亞溝道區(qū)，下方的P+區(qū)稱為注入?yún)^(qū)。注入?yún)^(qū)是IGBT特有的功能區(qū)，與漂移區(qū)和亞溝道區(qū)一起形成雙極型晶體管結(jié)構(gòu)。

當(dāng)MOSFET的溝道形成后，注入N-層的空穴對該層進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減小其電阻，使IGBT在高電壓狀態(tài)也具有較低的通態(tài)電壓。

IGBT-VVVF具有節(jié)能、安裝維修方便、散熱穩(wěn)定等特點，占據(jù)了當(dāng)今VVVF的大部分市場份額，由于產(chǎn)品太多，留待后續(xù)專欄展開說明。

碳化硅場效應(yīng)管（SiC MOSFET）

碳化硅俗稱金剛砂，作為新興半導(dǎo)體材料的一種，存在著大約250種結(jié)晶形態(tài)。在碳化硅中大量摻雜硼、鋁或氮，可以使摻雜后的碳化硅具備數(shù)量級可與金屬比擬的導(dǎo)電率。

碳化硅成本較低，加之不同晶態(tài)的物理和化學(xué)性質(zhì)具有多樣性，因此應(yīng)用日益廣泛，包括但不限于磨料、結(jié)構(gòu)材料、催化性載體和功率電子元件（SiC MOSFET、SiC SBD等）。

SiC MOSFET的優(yōu)勢在于：碳化硅的絕緣擊穿電場強(qiáng)度大約比單晶硅高10倍，主要決定電阻的漂移層的厚度也只有單晶硅的十分之一（如下圖），因此電阻也大幅降低，從而進(jìn)一步減少了電能損耗；另外，碳化硅的禁帶寬度約為單晶硅的三倍，即使在高溫狀態(tài)下，SiC MOSFET的漏電流增量也很小。

SiC MOSFET已經(jīng)實現(xiàn)快速切換、高溫及高電壓應(yīng)用方面的前期大量生產(chǎn)。日本的三菱、日立、東芝均有SiC-VVVF產(chǎn)品，搭載于部分新型列車上，進(jìn)一步減少能耗，例如E235系的0番臺和1000番臺、小田急5000系、新京成80000系、東京地鐵的17000系和18000系等。

中國的SiC-VVVF數(shù)量極少，目前僅有的案例包括上海6、8號線和昆明1號線的SiC變流模塊替代（不改變原有的牽引逆變器箱體），以及僅有的碳化硅牽引逆變器整機(jī)——深圳地鐵1號線01753車廂的TGN51H.JP1。

V01B會介紹VVVF調(diào)制程序編程軟件OTOTETSU的使用，以及（UP自創(chuàng)的）用于分析調(diào)制程序的表達(dá)式系統(tǒng)。