絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)驅(qū)動器是電力電子裝備的關(guān)鍵組件，其核心技術(shù)曾一度被國外壟斷。今年4月底，國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院有限公司“IGBT數(shù)字驅(qū)動關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”項(xiàng)目科技成果通過中國電機(jī)工程學(xué)會鑒定。鑒定專家認(rèn)為，產(chǎn)品整體技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平，其中，IGBT狀態(tài)檢測與保護(hù)技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。
多年來，國網(wǎng)智研院堅(jiān)持深耕IGBT數(shù)字驅(qū)動技術(shù)，突破了一系列關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，打破了國外技術(shù)壟斷，形成了核心技術(shù)完全自主化的系列產(chǎn)品，并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于多個(gè)直流輸電工程，助力IGBT換流閥持續(xù)高效可靠運(yùn)行。
高端電力設(shè)備發(fā)展帶動IGBT驅(qū)動核心技術(shù)國產(chǎn)化步伐加快
IGBT是能源變換和傳輸?shù)暮诵钠骷?，是提升能源轉(zhuǎn)換效率，進(jìn)而降低碳排放，助力實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和的重要電力電子設(shè)備。國網(wǎng)智研院直流輸電技術(shù)研究所所長賀之淵介紹，要保障IGBT安全高效地運(yùn)行，必須配備專用的驅(qū)動器，這樣既能發(fā)揮IGBT的最優(yōu)性能，又可以自主預(yù)判故障分類從而采取精細(xì)化保護(hù)措施，將IGBT的使用風(fēng)險(xiǎn)降到最低。高壓大功率電力電子裝備工況復(fù)雜、控制精度高、故障發(fā)展速度快、電磁環(huán)境惡劣，對IGBT數(shù)字驅(qū)動控制保護(hù)功能的要求極高。IGBT數(shù)字驅(qū)動器是實(shí)現(xiàn)電力電子裝備智能化的核心組件，是IGBT器件可靠工作的控制器，相當(dāng)于IGBT的“大腦” 。
2013年之前，國外僅有少數(shù)幾家公司掌握高壓大功率IGBT驅(qū)動核心技術(shù)，但對外實(shí)行嚴(yán)密技術(shù)封鎖。而且，國外高壓大功率IGBT驅(qū)動器不同程度地存在調(diào)控性能差、保護(hù)功能單一、可定制化程度低、抗電磁干擾性能差或造價(jià)高等問題。
為助推“雙碳”目標(biāo)落實(shí)和新型電力系統(tǒng)構(gòu)建，越來越多的特高壓直流輸電工程將建成或開工，為遠(yuǎn)距離大容量輸送清潔能源發(fā)揮重要作用。“作為直流輸電換流閥核心器件的IGBT已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化并且批量應(yīng)用，使得IGBT驅(qū)動器的自主化研發(fā)以及關(guān)鍵技術(shù)突破更加刻不容緩。”賀之淵說。
十年磨一“器”，打造IGBT智能“大腦”
自2008年起，國網(wǎng)智研院準(zhǔn)確把握IGBT驅(qū)動發(fā)展趨勢，瞄準(zhǔn)更為先進(jìn)的高壓大功率IGBT數(shù)字驅(qū)動技術(shù)，抽調(diào)全院在IGBT理論研究、仿真、試驗(yàn)及工程應(yīng)用等方面具有豐富經(jīng)驗(yàn)的科研試驗(yàn)骨干人員，組建了IGBT數(shù)字驅(qū)動技術(shù)攻關(guān)團(tuán)隊(duì)。團(tuán)隊(duì)依托國家科技重大專項(xiàng)(02專項(xiàng))及國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、公司科技項(xiàng)目等，先后攻克了動態(tài)特性均衡調(diào)控、多類故障精確保護(hù)、嚴(yán)苛電磁環(huán)境耐受等關(guān)鍵技術(shù)難題，在設(shè)計(jì)方法、電路實(shí)現(xiàn)、大電流關(guān)斷、故障保護(hù)、電磁防護(hù)、試驗(yàn)方法等方面開展了深入研究，研制出適配多類型IGBT的數(shù)字驅(qū)動器系列產(chǎn)品。產(chǎn)品通過了第三方環(huán)境試驗(yàn)、電磁兼容試驗(yàn)、軟硬件可靠性測試等型式試驗(yàn)。
100萬千瓦柔性直流換流閥IGBT模塊工作的電壓和電流臨近安全工作區(qū)極限，電磁環(huán)境極為惡劣。針對這一應(yīng)用場景，IGBT數(shù)字驅(qū)動技術(shù)攻關(guān)團(tuán)隊(duì)攻克了有源米勒鉗位、復(fù)合電磁屏蔽、諧振軟開關(guān)和恒定導(dǎo)通時(shí)間頻率調(diào)制技術(shù)等高壓大功率IGBT驅(qū)動核心技術(shù)，研制了適配3300伏/1500安焊接式IGBT模塊的驅(qū)動器產(chǎn)品，解決了IGBT數(shù)字驅(qū)動器在強(qiáng)電磁環(huán)境下電磁兼容設(shè)計(jì)和溫升控制的難題。針對在電壓和電流等級更高IGBT中的應(yīng)用需求，國網(wǎng)智研院陸續(xù)推出了適配4500伏/2000安和4500伏/3000安壓接式IGBT模塊的數(shù)字驅(qū)動器產(chǎn)品，形成了覆蓋1700～6500伏的全系列IGBT數(shù)字驅(qū)動器產(chǎn)品。
“IGBT數(shù)字驅(qū)動的技術(shù)難點(diǎn)在于，要在百萬分之一秒的時(shí)間尺度內(nèi)，對IGBT進(jìn)行精準(zhǔn)的開通和關(guān)斷控制。既要保證IGBT的開通和關(guān)斷損耗符合要求，又要讓關(guān)斷電壓尖峰和開通時(shí)的反向恢復(fù)電流盡可能小，傳統(tǒng)的模擬驅(qū)動器無法兼顧上述要求，這是難點(diǎn)之一。同時(shí)，在惡劣復(fù)雜電磁環(huán)境下做到對故障信息的準(zhǔn)確獲取與快速識別，采取精細(xì)化快速保護(hù)策略，確保IGBT免受高壓大電流的沖擊損壞，這又是另一難點(diǎn)。”IGBT數(shù)字驅(qū)動技術(shù)攻關(guān)團(tuán)隊(duì)的技術(shù)負(fù)責(zé)人客金坤介紹說。
為了滿足電網(wǎng)系統(tǒng)的安全保護(hù)要求，IGBT對故障電流的判斷速度越快越好，并且要保證可靠性。傳統(tǒng)的IGBT驅(qū)動短路電流方式無法很好地滿足電網(wǎng)故障工況的要求。IGBT數(shù)字驅(qū)動技術(shù)攻關(guān)團(tuán)隊(duì)針對故障電流上升趨勢與正常電流不同的特點(diǎn)，提出了基于電流上升趨勢判斷短路故障的方法，將故障保護(hù)時(shí)間從之前的8微秒左右縮減到3微秒以內(nèi)，大大降低了IGBT器件本體所受的故障沖擊，達(dá)到了防患于未然的效果。
經(jīng)過第三方檢測機(jī)構(gòu)認(rèn)證，與國外同類產(chǎn)品相比，國網(wǎng)智研院研制的國產(chǎn)高壓大功率IGBT數(shù)字驅(qū)動器抗電磁干擾能力提高了2個(gè)等級以上;產(chǎn)品通過對比測試表明，動態(tài)功耗降低了44%、電子元件溫升降低了17攝氏度，而成本僅為國外同類產(chǎn)品的70%。
助力多項(xiàng)直流輸電工程安全運(yùn)行，器件國產(chǎn)化程度不斷提高
2011年，國產(chǎn)高壓大功率IGBT數(shù)字驅(qū)動器首次在上海南匯±30千伏直流輸電工程中小批量試用，填補(bǔ)了國產(chǎn)化IGBT數(shù)字驅(qū)動在高壓直流輸電領(lǐng)域應(yīng)用的空白。2015年，項(xiàng)目成果推廣應(yīng)用于±320千伏/100萬千瓦廈門柔性直流輸電工程，實(shí)現(xiàn)了與國外IGBT數(shù)字驅(qū)動產(chǎn)品的同臺競技，整體運(yùn)行表現(xiàn)優(yōu)異，投運(yùn)至今實(shí)現(xiàn)零故障運(yùn)行。
2016年12月份，在浙江舟山200千伏高壓直流斷路器項(xiàng)目應(yīng)用現(xiàn)場，IGBT數(shù)字驅(qū)動技術(shù)攻關(guān)團(tuán)隊(duì)成員白建成說：“之前工程采用的是國外品牌的IGBT驅(qū)動器，產(chǎn)品在直流斷路器試驗(yàn)期間，因無法耐受現(xiàn)場惡劣的電磁環(huán)境，頻繁上報(bào)故障，導(dǎo)致試驗(yàn)無法進(jìn)行。”而用國網(wǎng)智研院研發(fā)的IGBT驅(qū)動器100%替代國外產(chǎn)品后，世界首次±200千伏雙極短路分?jǐn)嘣囼?yàn)一次性通過。截至今年5月底，該工程直流斷路器累計(jì)完成系統(tǒng)運(yùn)行方式切換89次、直流海纜單雙極短路故障清除5次。在此期間，驅(qū)動器運(yùn)行穩(wěn)定，助力直流斷路器高效可靠運(yùn)行。
在2017到2021年，項(xiàng)目成果先后應(yīng)用于±420千伏/125萬千瓦渝鄂背靠背工程、昆柳龍±800千伏混合多端直流輸電工程以及三峽如東海上風(fēng)電柔性直流輸電工程。作為核心功率器件IGBT的控制和保護(hù)設(shè)備，國產(chǎn)高壓大功率IGBT數(shù)字驅(qū)動器經(jīng)受了高電磁輻射和惡劣環(huán)境的考驗(yàn)，發(fā)揮了快速保護(hù)換流閥核心設(shè)備IGBT的作用。該產(chǎn)品還應(yīng)用在張北柔性直流電網(wǎng)試驗(yàn)示范工程四端帶電組網(wǎng)中，工程解決了張北地區(qū)大規(guī)模風(fēng)電可再生能源發(fā)電并網(wǎng)的問題，促成了張北新能源基地、豐寧抽水蓄能電站與北京負(fù)荷中心的隔空“牽手”，支撐了北京2022年冬奧會的綠電供應(yīng)。
今年2月份，國產(chǎn)高壓大功率IGBT數(shù)字驅(qū)動技術(shù)支撐我國中標(biāo)德國Borwin6海上風(fēng)電柔性直流輸電工程。這標(biāo)志著具有自主知識產(chǎn)權(quán)的IGBT數(shù)字驅(qū)動器具備了國際領(lǐng)先的核心競爭力，是國家電網(wǎng)公司推動技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)、裝備一體化“走出去”的重要成果，對高質(zhì)量共建“一帶一路”、深化中歐綠色能源合作具有重要意義。
隨著國內(nèi)集成電路技術(shù)日趨成熟、芯片制造業(yè)蓬勃發(fā)展，IGBT驅(qū)動器未來將向器件國產(chǎn)化方向發(fā)展。國網(wǎng)智研院積極布局立項(xiàng)，著手進(jìn)一步提升高壓大功率IGBT驅(qū)動器國產(chǎn)化器件占比程度，力爭早日將驅(qū)動器的國產(chǎn)化器件占比提升到100%，開展相應(yīng)的型式試驗(yàn)驗(yàn)證產(chǎn)品性能，并推廣至輸電工程應(yīng)用。這將有力帶動國產(chǎn)化集成電路的品質(zhì)提升，助推上下游產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展。(攝影：客金坤)
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