2021 年秋冬的“限電”讓人們猝不及防，重拾久遠(yuǎn)的停電點(diǎn)蠟燭記憶的同時(shí)，開始重新審視電這項(xiàng)資源。事實(shí)上，“缺電”一直存在，我國(guó)國(guó)土遼闊，而傳統(tǒng)及新能源的資源端和用電需求端在地理上又分處西東，就像南水北調(diào)一樣，需要西電東輸。因此滿足大規(guī)模、遠(yuǎn)距離、高效率的電力輸送方式——特高壓曾是中國(guó)舊基建的代表之一。

顧名思義，特高壓就是特別高的電壓，指 ±800 千伏及以上的直流電和 1000 千伏及以上的交流電。對(duì)于特高壓，人們除了能看到穿梭于天際的架空線之外，對(duì)其了解少之又少。然而 2019 年，在發(fā)展清潔能源的雙碳背景之下，特高壓又被賦予了新基建的屬性，重新?lián)?fù)起了“國(guó)家頂梁柱”的戰(zhàn)略使命，成為關(guān)注的熱點(diǎn)。

根據(jù)賽迪數(shù)據(jù)，2020 年我國(guó)特高壓產(chǎn)業(yè)及其產(chǎn)業(yè)鏈上下游相關(guān)配套環(huán)節(jié)所帶動(dòng)的總投資規(guī)模超 3000 億元，其中特高壓產(chǎn)業(yè)投資規(guī)模近 1000 億元，帶動(dòng)社會(huì)投資超 2000 億元。到 2022 年，中國(guó)特高壓產(chǎn)業(yè)及其產(chǎn)業(yè)鏈上下游相關(guān)配套環(huán)節(jié)所帶動(dòng)的總投資規(guī)模將達(dá)到 4140 億元;到 2025 年，特高壓產(chǎn)業(yè)與其帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)整體投資規(guī)模將達(dá) 5870 億元。這些數(shù)字表明，特高壓已日益成為從民生到生產(chǎn)中不可或缺的基礎(chǔ)設(shè)施。

特高壓的“特”

電力系統(tǒng)包括了“發(fā)輸變配用”五大部分，而特高壓則主要是“輸變”兩部分，其中換流站與變電站是核心，電氣設(shè)備約占到總投資的一半以上，從轉(zhuǎn)換、保護(hù)、控制、檢測(cè)等各方面實(shí)現(xiàn)特高壓的優(yōu)勢(shì)。無論是直流的換流閥、直流控制保護(hù)設(shè)備，還是交流的GIS、變壓器，都離不開集成電路。

復(fù)雜的電力系統(tǒng)，從零組件、板級(jí)系統(tǒng)到設(shè)備，都有一些特殊要求，以確保轉(zhuǎn)換、測(cè)量、控制和保護(hù)等過程。可靠性是電力系統(tǒng)最基本也是最重要的要求，一旦發(fā)生故障就會(huì)影響人們的生產(chǎn)生活;其次則是實(shí)時(shí)性要求，電壓電流每時(shí)每刻都在變化，必須實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)以保證穩(wěn)定性;再次是高效性，因?yàn)檎麄€(gè)輸電環(huán)節(jié)涉及到大量的功率轉(zhuǎn)換，需要降低損耗;第四是抗干擾，電力系統(tǒng)的復(fù)雜環(huán)境會(huì)產(chǎn)生大量的電磁噪聲。因此，高效性、可靠性、實(shí)時(shí)性和抗干擾這四點(diǎn)是電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)最難的地方，而特高壓由于系統(tǒng)的特殊性，對(duì)此的要求也更高。

此外，雖然中國(guó)目前在特高壓技術(shù)上遙遙領(lǐng)先，但每一項(xiàng)工程都會(huì)有新要求，需要不斷創(chuàng)新，去嘗試探索新技術(shù)。同時(shí)，伴隨著特高壓系統(tǒng)復(fù)雜度不斷升高，集成化、智能化的需求已經(jīng)貫穿至每一個(gè)子系統(tǒng)中。而芯片則是實(shí)現(xiàn)這些創(chuàng)新的一個(gè)載體。什么樣的芯片可以解決特高壓系統(tǒng)中的諸多挑戰(zhàn)?

高可靠性、實(shí)時(shí)性

高可靠性其實(shí)就是要降低故障率，對(duì)輸電系統(tǒng)進(jìn)行控制與保護(hù)，必須要有完善的監(jiān)控能力。這自然離不開連接模擬和數(shù)字域橋梁的信號(hào)鏈，其中將電壓、電流等參數(shù)感知、搜集、轉(zhuǎn)換并傳遞至系統(tǒng)的 ADC 至關(guān)重要。對(duì)于電力系統(tǒng)來說，通常有三相電壓、三相電流及中心線的電壓、電流，這些信號(hào)之間存在相位關(guān)系，因此除了要采集到幅度信息之外，還必須能夠?qū)崟r(shí)且準(zhǔn)確地采集到相位關(guān)系，系統(tǒng)才可以執(zhí)行保護(hù)和控制。此外，電力系統(tǒng)里的信號(hào)尤其是電流信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍非常寬，而且對(duì)信號(hào)采集的精度要求非常高，這樣才能準(zhǔn)確定位故障發(fā)生點(diǎn)。

ADS8588S 和 ADS8686 等即是 TI 專門為電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的 16 位 ADC，具有多通道、同步采樣、高精度及高準(zhǔn)確度，寬動(dòng)態(tài)范圍達(dá) 90dB，可以快速發(fā)現(xiàn)短路或斷路故障。這兩款 ADC 集成了放大器，并且內(nèi)部具有精密校準(zhǔn)電路，無需額外的信號(hào)鏈整合或校準(zhǔn)工作，在和 CPU 的接口處還集成了糾錯(cuò)機(jī)制，通過監(jiān)測(cè)機(jī)制以確保傳輸至處理系統(tǒng)的通信過程可靠。也就是說，從模擬域到數(shù)字域再到接口，TI 的 ADC 產(chǎn)品都具高可靠性。

靈活且強(qiáng)大的處理器是電網(wǎng)可靠性和實(shí)時(shí)性的基礎(chǔ)保障，就好像大腦對(duì)事物的實(shí)時(shí)反應(yīng)能力一樣。TI 提供各種處理器，包括 Arm、DSP 的強(qiáng)大內(nèi)核組合，可靈活應(yīng)對(duì)包括保護(hù)繼電器、變電站以太網(wǎng)交換機(jī)、變電站網(wǎng)關(guān)和變電站控制器 (RTU) 等諸多能源相關(guān)應(yīng)用。同時(shí)，針對(duì)不同變電站架構(gòu)，無論是通過以太網(wǎng)交換機(jī)還是網(wǎng)關(guān)來進(jìn)行數(shù)據(jù)分類和過濾，TI 的嵌入式處理器都可以輕松應(yīng)對(duì)。

事實(shí)上整個(gè)系統(tǒng)的可靠性是通過實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的芯片和方案來體現(xiàn)的，值得一提的是，TI 的所有電網(wǎng)類應(yīng)用產(chǎn)品在生產(chǎn)和測(cè)試環(huán)節(jié)，都通過了專業(yè)和嚴(yán)苛的品質(zhì)管理流程，從而確保產(chǎn)品高度可靠。并且在全溫度范圍內(nèi)，溫漂都非常低，十分適合復(fù)雜的電網(wǎng)環(huán)境。

高效、抗干擾、高集成度

電力系統(tǒng)的高效性即指轉(zhuǎn)換效率，從換流閥到輸電站的各種設(shè)備，都離不開電源轉(zhuǎn)換，一個(gè)個(gè)功率管將電力源源不絕地轉(zhuǎn)換并傳遞。而電源轉(zhuǎn)換所需無論是 IGBT 還是 SiC，都需要高效可靠的驅(qū)動(dòng)來控制這些核心部件。

由于缺乏高集成度的芯片，傳統(tǒng)上 IGBT 驅(qū)動(dòng)都是用模塊來實(shí)現(xiàn)，成本高昂。而 TI 最新推出的 UCC5870-Q1 是一個(gè)隔離的、可配置單通道門級(jí)驅(qū)動(dòng)器，內(nèi)部集成的 ADC 可以支持多種模擬輸入監(jiān)控，同時(shí)還集成溫度控制和其他保護(hù)功能，支持 SPI 接口配置，從而實(shí)現(xiàn)比較高效的轉(zhuǎn)換和檢測(cè)的功能，適用于任何 SiC 或者 IGBT。這樣客戶就可以用一個(gè)單片取代之前可能通過兩個(gè)模塊才能實(shí)現(xiàn)的功能，從而得以簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并大幅降低成本。

器件的電磁特性是電力系統(tǒng)非常關(guān)注的，既要減少器件向外產(chǎn)生的輻射，也要抵御來自外部的干擾。TI 的很多器件比如運(yùn)放內(nèi)部集成了濾波器，在外部強(qiáng)電磁干擾下仍然能夠保持高精度的信號(hào)處理。隔離技術(shù)也是重要的抗干擾方式，TI 是最早做電容隔離的廠商之一，在抗干擾能力方面比傳統(tǒng)的光耦、磁耦及其他競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的電容隔離要優(yōu)越很多。如上述的 UCC5870-Q1，采用二氧化硅隔離技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高達(dá) 150kV/ns 的 dv/dt，遠(yuǎn)超競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。

以客戶為導(dǎo)向的產(chǎn)品開發(fā)思路

隨著特高壓技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，包括柔性直流輸電等在內(nèi)的一系列先進(jìn)技術(shù)正在快速發(fā)展，從控制、驅(qū)動(dòng)、保護(hù)到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)算和要求更高。對(duì)芯片公司來說這意味著機(jī)會(huì)更多，但同時(shí)要求也更高。我們看到，為了應(yīng)對(duì)日益復(fù)雜的特高壓電網(wǎng)系統(tǒng)，TI 產(chǎn)品不斷加速迭代，給市場(chǎng)提供高可靠性、高集成度的產(chǎn)品，以簡(jiǎn)化客戶的應(yīng)用。

而且為了進(jìn)一步加速客戶創(chuàng)意落地，TI 在全球設(shè)置了系統(tǒng)開發(fā)團(tuán)隊(duì)，很多成員都是特高壓技術(shù)方面的專家，結(jié)合 TI 的產(chǎn)品專家一起，為客戶深度開發(fā)出模塊式的參考設(shè)計(jì)和技術(shù)方案?？蛻糁恍柽M(jìn)行簡(jiǎn)單的差異化修改即可。經(jīng)過在特高壓領(lǐng)域的多年深耕，TI 和中國(guó)主要電力客戶都建立了深入的合作伙伴關(guān)系。

早在 2008 年，德州儀器與四方繼保建立數(shù)模信號(hào)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室;2010 年，中國(guó)電科院與德州儀器合作建立聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室正式揭牌。今年是 TI 中國(guó)成立 36 周年，也恰逢新基建的項(xiàng)目開始加速落地。作為全球主要的芯片供應(yīng)商，TI 提供了包括 IGBT 的柵極驅(qū)動(dòng)、用于控制/保護(hù)算法處理的 DSP、基于 ARM 的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議處理器以及用于測(cè)量電壓和電流的高精度信號(hào)鏈等完整的一站式服務(wù)，從而滿足特高壓領(lǐng)域二次設(shè)備和一次設(shè)備相關(guān)的一系列要求。

盡管電力是一個(gè)看不見摸不著的產(chǎn)品，但通過一顆顆芯片，點(diǎn)亮了萬家燈火，也點(diǎn)亮了你我。

原文標(biāo)題：TI 芯科技賦能中國(guó)新基建之特高壓：西電東輸大動(dòng)脈暢通的背后

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