这一期番外番，编号比较特殊，数字前面加的V代表VVVF（日语：可变电压可变周波数制御）。本期为概览性质，介绍不同的VVVF用器件及世界范围的VVVF分布，以后则会按厂家细讲（V02东洋电机制造、V03三菱、V04日立（含永电捷通）、V05阿尔斯通（含庞巴迪）、V06西门子（含纵横机电）、V07中车时代、V08其他）。

VVVF使用GTO、IGBT、SiC MOSFET等一些模拟电子器件进行调频，实现电机的驱动，在GTO之前曾使用RCT（Reverse Conducting Thyristor，逆导通晶闸管，如熊本市电8200系、札幌市电8500系）甚至SCRS（Silicon Controlled Rectifier Switch，交流晶闸管开关，如赫尔辛基地铁M100系）作为变流元件。目前VVVF处于IGBT和SiC的过渡阶段，IGBT是主流，SiC也有一定范围的应用。

可关断晶闸管（GTO）

GTO也称门控晶闸管，是晶闸管的一种派生器件，和普通的单向晶闸管一样由PNPN四层半导体构成，外部有三个电极：门极G、阳极A和阴极K。门极加正脉冲信号触发管子导通，加负脉冲信号触发管子关断。

GTO既保留了普通单向晶闸管耐压高、电流大的特性，又具备了自关断能力，且关断时间短，不需要复杂的换向电路，工作频率高，使用方便，成为VVVF早期应用的主流形式。

GTO也可以用于斩波调压控制（电机子chopper制御），采用这种驱动方式的车型有釜山都市铁道1号线部分列车、北京地铁GTO型、港铁都城嘉慕制早期列车等，不在本期的讨论范围。

国内 GTO-VVVF 分布现状

港澳台：港铁的东涌线/机场快线的CAF制早期列车搭载AEG GTO（GEATRAC DASU6.1）；台北捷运的301型原为西屋GTO，在2013～2017年间已陆续更换为庞巴迪IGBT，目前仅余321型为西门子GTO。

大陆：北上广三地均（曾）使用过。

北京地铁最早搭载VVVF的复八线（现为1号线的一部分）配车DKZ4（原B4000）原为东洋后期GTO（RG644-A-M，牵引4段+制动7段，另开专栏叙述）。2015年，DKZ4的GTO全部更换为东洋IGBT，自此GTO在北京绝迹，东洋GTO也在中国绝迹。

目前中国大陆保有的几种GTO-VVVF全部搭载于安达-西门子模块化列车，其中申通两种：1号线01A03（AC01A和AC01C）和2号线02A01（AC02），均为西门子GTO（G1500 D1150 580 M5-1）；羊角一种：1号线A1（大西未更新车，AEG原设计安达制GTO【注意不是西门子】：GEATRAC DASU6）。

国外 GTO-VVVF 分布现状

日本：VVVF技术传入后，三菱、日立、东洋均曾研制出大量产品。目前保有相当数量的GTO-VVVF，著名的有京急1000系“唱歌电车”（西门子GTO，已绝迹）、阪急8000系（东芝GTO）等。

韩国：首尔、大邱、釜山均有GTO-VVVF分布，主要为西门子和GEC阿尔斯通（现在阿尔斯通的前身，吸纳了英国通用电气公司）。

新加坡：C651（搭载西门子GTO）是新加坡首款采用GTO-VVVF的车型。值得一提的是，台北捷运321型为其衍生车型。

欧洲：GTO-VVVF在地铁上的应用反而不如铁路上的应用广泛。伦敦地铁的中央线1992型搭载ABB GTO，银禧线1996型搭载GEC阿尔斯通GTO；巴黎地铁的MP05型和MP89型（均为胶轮）也搭载GEC阿尔斯通GTO。

美洲：仅有零星分布，如圣保罗都市铁道3000系的西门子GTO（另一种“唱歌电车”，G3000 D2330/500 M5 rfz）、费城地铁的ABB GTO、达拉斯轻轨100系的西屋GTO、多伦多地铁2号线T系列车的AEG GTO（西屋原设计）与3号线S系列车的UTDC GTO（可视为庞巴迪GTO的一种）。

GTO的导通压降大，门极触发电流也大，导致无论是在导通还是关断状态功耗都比较大，因此在VVVF领域正逐渐被IGBT所取代。

绝缘栅双极型晶体管（IGBT）

双极型晶体管（BJT）和金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）这两种模拟电子技术中的常用器件各有其优缺点：BJT载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。将BJT与MOSFET融合，得到IGBT。IGBT的外部同样有三个电极，即栅极G、集电极C和发射极E。

下图为IGBT的剖面图，可以看出IGBT的沟道在紧靠栅区边界的部分形成。漂移区上方的P区称为亚沟道区，下方的P+区称为注入区。注入区是IGBT特有的功能区，与漂移区和亚沟道区一起形成双极型晶体管结构。

当MOSFET的沟道形成后，注入N-层的空穴对该层进行电导调制，减小其电阻，使IGBT在高电压状态也具有较低的通态电压。

IGBT-VVVF具有节能、安装维修方便、散热稳定等特点，占据了当今VVVF的大部分市场份额，由于产品太多，留待后续专栏展开说明。

碳化硅场效应管（SiC MOSFET）

碳化硅俗称金刚砂，作为新兴半导体材料的一种，存在着大约250种结晶形态。在碳化硅中大量掺杂硼、铝或氮，可以使掺杂后的碳化硅具备数量级可与金属比拟的导电率。

碳化硅成本较低，加之不同晶态的物理和化学性质具有多样性，因此应用日益广泛，包括但不限于磨料、结构材料、催化性载体和功率电子元件（SiC MOSFET、SiC SBD等）。

SiC MOSFET的优势在于：碳化硅的绝缘击穿电场强度大约比单晶硅高10倍，主要决定电阻的漂移层的厚度也只有单晶硅的十分之一（如下图），因此电阻也大幅降低，从而进一步减少了电能损耗；另外，碳化硅的禁带宽度约为单晶硅的三倍，即使在高温状态下，SiC MOSFET的漏电流增量也很小。

SiC MOSFET已经实现快速切换、高温及高电压应用方面的前期大量生产。日本的三菱、日立、东芝均有SiC-VVVF产品，搭载于部分新型列车上，进一步减少能耗，例如E235系的0番台和1000番台、小田急5000系、新京成80000系、东京地铁的17000系和18000系等。

中国的SiC-VVVF数量极少，目前仅有的案例包括上海6、8号线和昆明1号线的SiC变流模块替代（不改变原有的牵引逆变器箱体），以及仅有的碳化硅牵引逆变器整机——深圳地铁1号线01753车厢的TGN51H.JP1。

V01B会介绍VVVF调制程序编程软件OTOTETSU的使用，以及（UP自创的）用于分析调制程序的表达式系统。