中國“芯”：高鐵的“命”，我來守護！
中國標(biāo)準(zhǔn)少不了“中國芯”——大功率IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)技術(shù)。正是它悄然把控著機車的自動控制和功率變換。
這項被譽為“皇冠上的明珠”的現(xiàn)代機車車輛技術(shù)，被德國、日本等國把控了30年。如今，由中車株洲電力機車研究所有限公司(以下簡稱“中車株洲所”)研發(fā)突破，實現(xiàn)了自主國產(chǎn)化。
中車株洲所技術(shù)人員正在操作。
國家難題
高速和重載是現(xiàn)代機車車輛裝備發(fā)展的兩個重要方向，兩者的關(guān)鍵都在于給機車提供一個強大而持續(xù)發(fā)力的“心臟”——牽引電傳動系統(tǒng)。而牽引電傳動系統(tǒng)里，一塊巴掌大小的IGBT模塊，成為“命脈”。
過去，我國機車車輛用IGBT模塊都要從德國、日本進口，特別是在高等級的IGBT器件上，更沒有中國人的一席之地。2008年，隨著高鐵建設(shè)的加快，需求倍增，一個8列的動車組就需要152個芯片，成本高達(dá)200萬元。每年中國需要10萬只芯片，總金額高達(dá)12億元。
中車株洲所IGBT項目的一位研發(fā)負(fù)責(zé)人說，國際產(chǎn)品銷售市場中，中國并非優(yōu)先級，我們買的價格貴，一個模塊就高達(dá)1萬多元，而且只能買成品，產(chǎn)品交貨周期很長。
IGBT器件技術(shù)分為芯片、模塊封裝及應(yīng)用測試三大塊。芯片技術(shù)是其中最為關(guān)鍵的技術(shù)。
以7200千瓦大功率交流電力機車用IGBT為例，一塊巴掌大小的IGBT模塊內(nèi)共有36塊指甲大小的芯片，每塊芯片并聯(lián)擺放5萬個被稱作為“元胞”的電子單元。這些“元胞”相當(dāng)于IGBT的“細(xì)胞”，它們能夠在百萬分之一秒的時間內(nèi)實現(xiàn)電流的快速轉(zhuǎn)化。而要在指甲大小的芯片上均勻加工處理5萬個細(xì)如發(fā)絲的“元胞”，難度無異于在“針尖上繡花”。
2007年，國家相關(guān)部委將IGBT器件技術(shù)作為我國重大專項課題，投入巨資，集中研發(fā)，但進展緩慢。
并購?fù)粐?/strong>
中車株洲所在上世紀(jì)60年代建所，從零起步開始了電力機車電氣系統(tǒng)的研究、設(shè)計、制造工作，曾依靠自己的力量，聯(lián)合主機廠生產(chǎn)出了新中國首臺電力機車，并首次將硅整流器取代傳統(tǒng)的引燃管整流器，開啟了國產(chǎn)電力機車的“電力電子時代”。
2006年，該所成功研制世界上第一只6英寸晶閘管，這是世界上最大直徑、最大電流電壓容量的晶閘管，使我國80萬伏以上的超高壓直流輸電成為現(xiàn)實。
2007年年末，席卷全球的金融危機為中車株洲所帶來了機遇。
成立于1956年的英國老牌企業(yè)丹尼克斯半導(dǎo)體公司因為金融危機陷入困境。它是世界最早進行IGBT技術(shù)研發(fā)的廠家，該公司有一條4英寸生產(chǎn)線，因缺少資金和應(yīng)用平臺，發(fā)展較為緩慢。2008年10月31日，中國中車株洲所下屬的時代電氣股份有限公司成功收購英國丹尼克斯半導(dǎo)體公司75%的股權(quán)，成為中國軌道交通裝備企業(yè)首個海外并購項目。
2010年5月，中車株洲所在英國成立功率半導(dǎo)體研發(fā)中心，成為中國軌道交通裝備制造企業(yè)首個海外研發(fā)中心，集中開發(fā)新一代IGBT芯片技術(shù)、新一代高功率密度IGBT模塊技術(shù)和下一代碳化硅功率器件技術(shù)等前沿基礎(chǔ)技術(shù)，并從所里派出了多批技術(shù)專家前往英國。
中車株洲所投入巨資，為丹尼克斯建成了多年夢寐以求的6英寸IGBT芯片生產(chǎn)線。隨后，更多國內(nèi)技術(shù)人員來到英國，新開發(fā)出多個1700伏以上高等級IGBT模塊。合作順利的雙方攜手進行下一代高功率IGBT芯片技術(shù)研究、生產(chǎn)。
高端技術(shù)
2013年12月27日，來自中國科學(xué)院、中國工程院的4位院士及10余位國內(nèi)知名專家齊聚中車株洲所。一塊指甲大小的銀白色芯片，引發(fā)陣陣驚嘆。
這是中國企業(yè)自主研制的第一款國內(nèi)最大電壓等級、最高功率密度的6500伏高壓IGBT芯片。該成果總體技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平、填補國內(nèi)行業(yè)空白，實現(xiàn)了中國在高端IGBT技術(shù)領(lǐng)域與國際先進水平接軌，具有重大戰(zhàn)略意義。
每一列高鐵用到3000~5000個芯片，鋪列開來有1平方米的面積，處理的是兆瓦級功率，一個芯片失效會導(dǎo)致高鐵故障。無論軌道交通，還是新能源、工業(yè)變頻，都高度依賴。
中車株洲所半導(dǎo)體事業(yè)部副總經(jīng)理羅海輝透露，IGBT芯片從前期研發(fā)到產(chǎn)業(yè)化，都有國家戰(zhàn)略在引導(dǎo)。他說，每個IGBT的制造需要通過200多道工序，涉及機械、半導(dǎo)體、材料、化工等多門復(fù)雜學(xué)科，目前能在國際上制造大功率IGBT芯片的國家屈指可數(shù)。
目前，中車株洲所投資14億元建設(shè)了國內(nèi)第一條8英寸的IGBT芯片生產(chǎn)基地，成為國內(nèi)唯一一家全面掌握IGBT芯片技術(shù)研發(fā)、模塊封裝測試和系統(tǒng)應(yīng)用的企業(yè)，其技術(shù)可與世界頂尖的公司媲美，而價格卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于競爭對手。
2015年，我國自主研發(fā)的高功率IGBT芯片首次走出國門，出口印度。
目前，中車株洲所還與中國科學(xué)院微電子技術(shù)研究所共同開展以碳化硅(SIC)為基礎(chǔ)材料的新型IGBT技術(shù)研發(fā)，已經(jīng)成功研制出芯片樣品，構(gòu)建了封裝模型。這意味著中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)又前進了一大步。
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