國家智能電網(wǎng)項(xiàng)目首次采用國產(chǎn)高壓大功率IGBT芯片

集成電路(俗稱“芯片”)的研發(fā)應(yīng)用，我國與發(fā)達(dá)國家存在較大差距。在電力領(lǐng)域，進(jìn)口芯片一直處于壟斷強(qiáng)勢地位，長期以來，我國輸變電設(shè)備與配用電設(shè)備中的核心芯片進(jìn)口產(chǎn)品分別占到95%和80%，芯片已經(jīng)成為制約我國電力行業(yè)裝備技術(shù)國產(chǎn)化水平提升的瓶頸。不過，這種局面有望改變。據(jù)報(bào)道，日前國家智能電網(wǎng)項(xiàng)目首次采用了國產(chǎn)的高壓大功率IGBT芯片，加快了國家智能電網(wǎng)“中國芯”國產(chǎn)化的步伐。

國家智能電網(wǎng)采用的3300V IGBT器件由中國北車永濟(jì)電機(jī)公司研發(fā)。IGBT全稱是絕緣柵雙極型晶體管，它是一種電壓控制型器件。IGBT具有容量大、損耗小、易于控制等優(yōu)點(diǎn)，可使換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更加簡單、損耗更小，因此成為高壓柔性直流輸電領(lǐng)域核心器件。近年來，我國長距離高壓柔性直流輸電領(lǐng)域發(fā)展迅猛，IGBT器件也因此具備十分廣闊的應(yīng)用前景。

長期以來，IGBT的核心技術(shù)和產(chǎn)業(yè)大多為歐美和半導(dǎo)體廠商所壟斷，國內(nèi)企業(yè)對該產(chǎn)品的研發(fā)大多處于起步階段。此前，國家智能電網(wǎng)項(xiàng)目所需IGBT模塊全部采用德國英飛凌、瑞士ABB等公司產(chǎn)品。在此次競標(biāo)中，北車永濟(jì)電機(jī)公司與國外企業(yè)在同一技術(shù)平臺競標(biāo)，以品牌展示“話語權(quán)”，力壓國際知名半導(dǎo)體廠商，成功中標(biāo)該項(xiàng)目，邁出了我國IGBT國產(chǎn)化進(jìn)程中的關(guān)鍵一步。

中國北車技術(shù)人員展示裝有IGBT芯片的IGBT模塊

僅僅四年時(shí)間，該公司通過戰(zhàn)略布局，吸納國際優(yōu)勢研發(fā)資源，技術(shù)自主攻關(guān)，17類產(chǎn)品已處于國際領(lǐng)先水平并填補(bǔ)國內(nèi)多項(xiàng)空白。目前，該公司具備年產(chǎn)6種等級IGBT器件10萬只的能力，可滿足智能電網(wǎng)、鐵路機(jī)車、風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、電動汽車等應(yīng)用領(lǐng)域?qū)GBT器件的廣泛需求。

何為IGBT

簡單來說，IGBT是一種實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換和控制的電力電子器件。復(fù)雜一點(diǎn)說，用電設(shè)備終端都需要不同電壓等級、不同電流大小，即不同功率等級的電力設(shè)備，這就需要大量采用IGBT等功率器件進(jìn)行電能的轉(zhuǎn)換和控制。比如在我們熟悉的高鐵動車組，其電能的轉(zhuǎn)換首先是將電網(wǎng)2.5萬伏的高壓交流電，經(jīng)過降壓、整流、逆變等方式，轉(zhuǎn)換成可以調(diào)頻調(diào)壓的三相交流電，最后供給交流電機(jī)，這個過程稱之為“變流”，最后輸出的三相交流電供給交流電機(jī)，從而獲得牽引整列高速動車組前進(jìn)的牽引力。

IGBT在我們生活的基礎(chǔ)領(lǐng)域——發(fā)電也是重要的存在。在發(fā)電領(lǐng)域，風(fēng)、水、太陽能等能源發(fā)出的電是一種粗糙的、不可控的、不穩(wěn)定的電能，就是我們俗說的“粗電”，而要想轉(zhuǎn)換成精細(xì)的、可控的、穩(wěn)定的能夠并入電網(wǎng)的“精電”，進(jìn)而適合不同功率電力設(shè)備，需要采用IGBT等電力電子器件實(shí)現(xiàn)對電能的品質(zhì)轉(zhuǎn)化，以風(fēng)電為例，風(fēng)機(jī)的葉片帶動發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，發(fā)電機(jī)發(fā)出的頻率往往不到電網(wǎng)頻率的一半，因此需要用高壓大電流的IGBT模塊，重新產(chǎn)生穩(wěn)頻穩(wěn)壓的交流電。

應(yīng)用廣泛 多部委關(guān)注IGBT研發(fā)

作為新一代功率半導(dǎo)體器件，IGBT器件具有驅(qū)動容易、控制簡單、開關(guān)頻率高、導(dǎo)通電壓低、通態(tài)電流大、損耗小等優(yōu)點(diǎn)，是自動控制和功率變換的關(guān)鍵核心部件，被廣泛應(yīng)用在軌道交通裝備行業(yè)、電力系統(tǒng)、工業(yè)變頻、風(fēng)電等產(chǎn)業(yè)中。在軌道交通領(lǐng)域，牽引傳動系統(tǒng)是動車組、機(jī)車等裝備的核心部件，而IGBT是牽引傳動系統(tǒng)的核心部件。采用IGBT進(jìn)行功率變換，能夠提高用電效率，提高用電質(zhì)量，節(jié)電30%以上。IGBT器件產(chǎn)業(yè)分為IGBT芯片設(shè)計(jì)、芯片制造和 IGBT器件封裝三部分。其中芯片設(shè)計(jì)和制造又是最為尖端的環(huán)節(jié)，高端IGBT芯片的成本約占IGBT模塊的50%左右。

早在1996年，當(dāng)時(shí)的國家計(jì)委就把發(fā)展IGBT芯片及模塊產(chǎn)業(yè)化作為重點(diǎn)項(xiàng)目，近年來更頻頻出臺政策支持IGBT國產(chǎn)化項(xiàng)目，國家“863”項(xiàng)目、國家重大科技專項(xiàng)等一批“國字號”科研項(xiàng)目紛紛將IGBT技術(shù)的研制與產(chǎn)業(yè)化列為重大課題。

技術(shù)人員講解高壓大功率IGBT芯片

然而，由于起步較晚、研發(fā)難度大，此前國內(nèi)IGBT芯片設(shè)計(jì)主要集中在民用級的1200V IGBT上，多由民營企業(yè)參與，毛利率較低。而工業(yè)級和牽引級的高壓大功率IGBT芯片，毛利率較高，目前國內(nèi)尚無主打產(chǎn)品出現(xiàn)。因而我國廣泛應(yīng)用的高端 IGBT芯片基本上依賴進(jìn)口，在交貨周期和采購價(jià)格上完全受制于國外ABB、英飛凌、三菱等歐洲和日本少數(shù)幾家公司。

中國北車成功自主研發(fā)出IGBT芯片后，可根據(jù)軌道牽引、智能電網(wǎng)、風(fēng)力發(fā)電、電動汽車等各應(yīng)用領(lǐng)域的實(shí)際需求進(jìn)行定制化的芯片特性設(shè)計(jì)。