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推动电力系统智能化 芯片长板怎么拉 短板从哪补?

北极星输配电网  来源:能源评论•首席能源观  作者:史强  2021/1/13 10:02:27  我要投稿  
所属频道: 保护与控制  关键词:芯片 直流换流阀 电子器件

北极星输配电网讯:2020年9月,国家发展改革委等四部门联合印发《关于扩大战略性新兴产业投资 培育壮大新增长点增长极的指导意见》,提出了“解决聚焦新能源装备制造‘卡脖子’问题,应加快IGBT、控制系统等核心技术部件研发”的要求。

要求中提到的IGBT,即绝缘栅双极晶体管的简称。它好比一个闸门、一个开关,可以根据工业装置中的信号指令调节电路中的电压、电流、频率、相位等,通过精准调控实现电能高效转换。

按照应用类别,IGBT属于功率半导体,是电力电子芯片的一种。除了IGBT,这类芯片还包括金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、功率双极型晶体管和晶闸管等。

除了电力电子芯片,能源电力行业中还大量使用了主控芯片、电力载波芯片和传感器芯片等。

无论是哪种芯片,其在电力系统的应用都指向一个目标:推动智能化,让系统运行更安全、更高效。

各环节典型芯片应用落地

电力电子芯片是电力系统中最核心的芯片类型。当下,这类芯片已应用于发电、输电、变电、配电、用电等领域。

在发电环节,电力电子芯片主要用于并网控制,并对发电机组状态进行实施监测,以保证安全。

比如在光伏发电中,逆变器需要电力电子芯片构成逆变电路,将光伏电池输出的直流电转变成交流电。当前,逆变器主要采用IGBT芯片,这种芯片的通态电流大,正反向组态电压比较高,有助于减少整个系统不必要的损耗,使其达到最佳工作状态。

在输电环节,芯片技术能够起到改善电能、控制电能、节约电能等作用。

近年来,柔性换流技术逐渐成熟,推动了直流配电网的快速发展。柔性直流输电的关键设备之一是柔直换流阀。而具备相对简单的驱动、快速的开关速度、较高的功率密度等特点的IGBT,已经广泛应用于柔性直流换流阀

在用电环节,芯片技术可以使电网的工频电能最终转换成不同性质、不同用途的高质量电能,以适应用电装置千变万化的需要。

近年,变频空调、变频冰箱、变频洗衣机等变频家电产品陆续出现,这背后,正是由于IGBT芯片的应用。变频家电的重要硬件之一是功率变换模块,其中,智能功率模块(IPM)最为常见。IPM将IGBT、驱动电路以及保护电路集中在一个模块中,其输出电流与耐压由IGBT决定。可以说,IGBT推动了变频家电的发展。

除了上述应用,电力电子芯片在电动汽车、充电桩、储能等领域也有广泛应用。

传感器芯片和电力载波芯片不像电力电子芯片那样起到核心作用,但在能源系统中,这两类典型芯片同样不可或缺,特别是随着智慧能源、物联网等技术的发展,它们在能源传输和使用中被大量应用。

在能源传输中,传感器芯片可以发挥测定温度、测定位移、故障诊断等功能,辅助后台对能源生产、传输的过程实施监测。

以输电为例。现在,随着特高压输电线路不断落地,很多电缆都会经过人烟稀少、不易实地巡检的地方。在电缆等设备上安装具备监测功能的传感器芯片,可以保证线路运行安全。特别是当一些极端自然灾害发生时,如果仅借助人工巡视,监测程度或因外部原因而不够及时准确。如果能够借助具备传感器功能的芯片,就可以实现对相关设备的实时、远距离监测,有利于紧急情况的处置。

在用能环节,电力载波芯片可以通过电力线路实现数据传输和通信功能。

借助这种芯片,电力线上的所有电器都能够达到双向通信,以实现对电器进行测量、传感、控制、结算等目标。同时,由于电力线和信号线合二为一,在智能家居改造升级中,用户只需在家电内部安装电力载波芯片,并更新程序,即可完成对家电的智能化改造。

长板:供求关系稳定

目前,我国目前已经初步建立起了包含晶闸管、IGCT、功率MOSFET、IGBT等的全系列硅基电力电子器件产业,在推动国民经济发展和保障产业安全中发挥了重要的作用。

具体看,能源行业的不同环节,芯片国产化水平不同。其中,用电环节的芯片国产化率相对更高一些,在能源生产环节和输配电环节,出于产品稳定性和可靠性考虑,我国目前仍在大量使用英飞凌、ABB等公司的IGBT模组。

出现这样的情况,并非因为我们缺乏研发能力。相反,我国目前在电力电子芯片方面的研发进展迅速,已经涉及各类器件。但是,在高端产品或核心产品的选择上,一些企业出于各种考虑仍然青睐于国际品牌。

2020年年初,一家主要产品为IGBT等功率半导体器件的企业登陆科创板。其招股书显示,该公司自主研发设计的IGBT芯片和快恢复二极管芯片已经量产,但仍然从国外企业购入芯片。对此,这家公司解释为“由于客户对公司自研芯片的批量化使用需要一定的验证时间,因此在正常情况下,自主研发的芯片完全取代进口芯片需要一定过程”。

事实上,能源电力行业对芯片的要求,仍然聚焦在稳定性和可靠性上。比如在高压传输中用到的芯片,就对耐受电压、转化效率有要求;用于开关的芯片,会对实现切换电网并网速度和继电保护灵敏度有要求。

对于任何一项已经应用于市场的技术来说,可靠性和稳定性最终还是要靠用户验证。所以,芯片产品进入市场一定阶段后,才能靠价格取胜,前期肯定还是靠质量。电力行业的芯片属于行业应用,它对安全可靠的要求尤其高。

此外,向海外“借力”容易带来另一个问题,即芯片价格会受到国际市场的影响。

近年来,芯片价格走势持续上涨。除了技术迭代需求等原因,产能不足、疫情等突发状况也导致芯片供应紧张,进而影响产品价格。如近期,国内外多家MOSFET厂商发布涨价通知,目前已报道至少四家MOS管厂商启动涨价,涨幅达到20%。

就电力电子芯片而言,即便上游制造产能紧张,电力电子芯片生产供应受到的影响也相对有限,原因有二。

首先,与消费电子和汽车两大领域相比,用于能源电力行业的芯片数量相对有限。因为量少,所以上游供应减少带来的影响就不会过大地传导到下游。

其次,电力电子芯片在能源行业的供需关系相对稳定,有限的供应商和客户保持长期合作关系,芯片的更新速度远低于用于汽车和手机领域的芯片。稳定的供求关系,也决定了芯片产能不会受到过大影响。

短板:基础技术待优化提升

在不久前召开的全国能源工作会议上,国家能源局再次强调芯片的重要性,并明确要求,在2021年,能源电力行业要“全面推进芯片国产化替代”。要实现这个目标,首先应补齐核心芯片和基础工艺、材料短板,提升可靠性设计能力。

从基础材料看,在一段时间内,电力电子器件市场的主力军仍然是硅基IGBT、MOSFET等器件。然而与硅基器件相比,碳化硅、氮化镓材料和器件在耐压性上更具优势,可承受更高的电压、更大的电流容量。碳化硅材料在超大功率、中大功率应用中适用性更好;氮化镓材料功耗更小,在变频家电、节能灯等中小功率应用优势明显,有利于提高能效、减少损耗,符合未来落实“碳达峰”“碳中和”目标、打造节能型社会的需求。

从设计和制造工艺能力看,芯片制作的完整过程包括芯片设计、晶圆制造、封装、测试等几个主要环节。高压高频等特色工艺芯片对设计、制造工艺的细节要求非常高,这在碳化硅、氮化镓等新型器件上表现得更为明显。

中国工程院院士倪光南曾表示,目前,我们国产的芯片整体水平已经从不可用到可用,而且现在正在从可用向好用的方向发展。当然,还需要一个过程才能达到真正比较全面的好用,但是我们肯定能够走向这个方向。

怎么才能从好用到更好用?这需要相关部门在坚持“以国内循环为主、国际国内双循环相互促进”的大原则之下,优化模式、明确标准、放开合作。

在模式上,可以支持电力企业构建虚拟垂直一体化模式开发MOSFET、IGBT等,让芯片设计企业和芯片制造厂实现深度绑定,在控制成本的前提下实现一体化,推进定制开发,实现做精做优。

在标准上,伴随国产化程度提升,终端厂商和集成电路上下游企业需共建标准体系,打造工业仪表和系统生态体系。

在合作上,可以通过搭建平台等方式,加强与国外大型芯片企业的技术合作,推动技术和产品不断优化。

原标题:芯片:长板怎么拉,短板从哪补?

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