推动电力系统智能化 芯片长板怎么拉 短板从哪补？

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。