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国家电网的“中国芯”:IGBT是个啥?
发表时间:2014/10/14点击数:6617投稿邮箱:yaoguisheng@chinapower.com.cn
    
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集成电路(俗称“芯片”)的研发应用,我国与发达国家存在较大差距。在电力领域,进口芯片一直处于垄断强势地位,长期以来,我国输变电设备与配用电设备中的核心芯片进口产品分别占到95%和80%,芯片已经成为制约我国电力行业装备技术国产化水平提升的瓶颈。不过,这种局面有望改变。据报道,日前国家智能电网项目首次采用了国产的高压大功率IGBT芯片,加快了国家智能电网“中国芯”国产化的步伐。

  国家智能电网采用的3300V IGBT器件由中国北车永济电机公司研发。IGBT全称是绝缘栅双极型晶体管,它是一种电压控制型器件。IGBT具有容量大、损耗小、易于控制等优点,可使换流器拓扑结构更加简单、损耗更小,因此成为高压柔性直流输电领域核心器件。近年来,我国长距离高压柔性直流输电领域发展迅猛,IGBT器件也因此具备十分广阔的应用前景。

  长期以来,IGBT的核心技术和产业大多为欧美和半导体厂商所垄断,国内企业对该产品的研发大多处于起步阶段。此前,国家智能电网项目所需IGBT模块全部采用德国英飞凌、瑞士ABB等公司产品。在此次竞标中,北车永济电机公司与国外企业在同一技术平台竞标,以品牌展示“话语权”,力压国际知名半导体厂商,成功中标该项目,迈出了我国IGBT国产化进程中的关键一步。

  仅仅四年时间,该公司通过战略布局,吸纳国际优势研发资源,技术自主攻关,17类产品已处于国际领先水平并填补国内多项空白。目前,该公司具备年产6种等级IGBT器件10万只的能力,可满足智能电网、铁路机车、风力发电、光伏发电、电动汽车等应用领域对IGBT器件的广泛需求。

  何为IGBT

  简单来说,IGBT是一种实现电能转换和控制的电力电子器件。复杂一点说,用电设备终端都需要不同电压等级、不同电流大小,即不同功率等级的电力设备,这就需要大量采用IGBT等功率器件进行电能的转换和控制。比如在我们熟悉的高铁动车组,其电能的转换首先是将电网2.5万伏的高压交流电,经过降压、整流、逆变等方式,转换成可以调频调压的三相交流电,最后供给交流电机,这个过程称之为“变流”,最后输出的三相交流电供给交流电机,从而获得牵引整列高速动车组前进的牵引力。

    IGBT在我们生活的基础领域——发电也是重要的存在。在发电领域,风、水、太阳能等能源发出的电是一种粗糙的、不可控的、不稳定的电能,就是我们俗说的“粗电”,而要想转换成精细的、可控的、稳定的能够并入电网的“精电”,进而适合不同功率电力设备,需要采用IGBT等电力电子器件实现对电能的品质转化,以风电为例,风机的叶片带动发电机旋转,发电机发出的频率往往不到电网频率的一半,因此需要用高压大电流的IGBT模块,重新产生稳频稳压的交流电。

  应用广泛 多部委关注IGBT研发

  作为新一代功率半导体器件,IGBT器件具有驱动容易、控制简单、开关频率高、导通电压低、通态电流大、损耗小等优点,是自动控制和功率变换的关键核心部件,被广泛应用在轨道交通装备行业、电力系统、工业变频、风电等产业中。在轨道交通领域,牵引传动系统是动车组、机车等装备的核心部件,而IGBT是牵引传动系统的核心部件。采用IGBT进行功率变换,能够提高用电效率,提高用电质量,节电30%以上。IGBT器件产业分为IGBT芯片设计、芯片制造和IGBT器件封装三部分。其中芯片设计和制造又是最为尖端的环节,高端IGBT芯片的成本约占IGBT模块的50%左右。

  早在1996年,当时的国家计委就把发展IGBT芯片及模块产业化作为重点项目,近年来更频频出台政策支持IGBT国产化项目,国家“863”项目、国家重大科技专项等一批“国字号”科研项目纷纷将IGBT技术的研制与产业化列为重大课题。

  然而,由于起步较晚、研发难度大,此前国内IGBT芯片设计主要集中在民用级的1200V IGBT上,多由民营企业参与,毛利率较低。而工业级和牵引级的高压大功率IGBT芯片,毛利率较高,目前国内尚无主打产品出现。因而我国广泛应用的高端IGBT芯片基本上依赖进口,在交货周期和采购价格上完全受制于国外ABB、英飞凌、三菱等欧洲和日本少数几家公司。

  中国北车成功自主研发出IGBT芯片后,可根据轨道牵引、智能电网、风力发电、电动汽车等各应用领域的实际需求进行定制化的芯片特性设计。

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