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高铁“中国芯”走出国门 近10年攻关“弯道超车”

2019-11-12 12:54:33 来源:英德晚报
原标题:揭秘“高铁芯”的前世今生

世界上仅有两条的8英寸IGBT生产线 通讯员供图

从“依赖进口”到“走向海外”,中国高铁何以“弯道超车”?

众所周知,中国高铁已经被海外舆论称为当今世界新的“四大发明”之一,但是鲜为人知的是,中国高铁为了掌握一度被发达国家垄断的“机车之核”核心技术,并将其发展为具有完全自主知识产权的“高铁芯”技术产业链,经历了怎样的艰难曲折。

如今,我们的“高铁芯”核心技术不仅应用在中国高铁上,而且也逐步“走出国门”,并且应用到了新能源电动客车的研发之中。

记者 李国辉 通讯员 胡小亮 刘伟 实习生 田智鹏

智能客车装上“高铁芯”

7月18日,中国中车旗下湖南中车时代电动汽车股份有限公司(简称“中车电动”)面向新能源客车领域,推出了自主研发的第五代纯电驱动系统平台T“动力”(英文名T-Power)和全球首款12米智能客车。这一款装了“高铁芯”的全新的新能源电动客车动力系统——T“动力”,其研发被誉为为我国新能源汽车产业创新驱动注入了新的引擎,是新能源客车领域的一场革命性技术变革。

中车电动电驱动系统事业部市场管理部部长刘毅告诉羊城晚报记者,T“动力”的控制总成仅有不到35公斤,体积是同类控制总成的一半大小,宽度也仅为A2打印纸大小,是国内体积最小、集成度最高的控制总成。

刘毅说,T“动力”在性能上不仅可以满足新能源客车在不同路况下的瞬间启动和加减速需求,还能帮助车辆爬上40度的陡坡。经实验测试和实践验证,T“动力”可在65℃高温环境下持续运行96小时,-40℃低温环境下连续工作48小时。

“行驶中,各类信息会全部汇总到控制大脑。电驱动系统则响应由‘大脑\\’主控制器发出的指令。比如判断为绿灯则会直接通过,如认为到达路口为红灯或黄灯,则会提前减速,直至路口停车。一旦遇到紧急情况,自动驾驶客车会依情况紧急程度,采取不同的减速度进行制动。”中车电动总经理助理唐广迪说。

T“动力”系统是如何实现如此强大的功能的?其奥秘在于它的“基因”足够强大,这一款革命性的控制总成,装上了代表中国自主化水平最高的“高铁芯”——IGBT。

刘毅说,T“动力”的强大,正是因为有了这颗“高铁芯”的加持。每一台T“动力”,都有6个分立的IGBT模块。IGBT实现了T“动力”的高度集成化,成为了新能源汽车驱动系统的革命性产品。

事实上,作为融合多种高科技于一身的集大成者,IGBT尤其是高电压高电流IGBT芯片技术一直被誉为现代机车车辆技术“皇冠上的明珠”。

其实,还在三年前,在长达近30年时间里,这一等同于“命脉”、“心脏”的IGBT,其核心技术一直掌握在美国、德国和日本等少数发达国家手中。作为IGBT应用市场最为庞大的中国,几乎所有的机车车辆所用的IGBT模块,只能全部依赖于进口。特别是在高等级的IGBT器件上,完全没有中国人的一席之地。

一桩不起眼的海外并购

每只IGBT芯片的制造需要通过200多道工序,其中涉及半导体、机械、电子、计算机、材料和化工等多门复杂学科融合,目前在国际上能制造大功率IGBT芯片的企业也是少之又少。

然而,上至航空航天、武器制造,下至轨道交通和电力电网都离不开IGBT,谁掌握了IGBT制造应用技术,谁就占据了功率半导体技术的制高点。

早在2007年,国家相关部委曾联合下发了《当前优先发展的高技术产业化重点领域指南》,明确指出要重点鼓励发展IGBT项目,并将IGBT器件技术作为我国重大专项课题,曾投入百亿元之巨,集中进行研发,但因为种种原因,进展缓慢,成效不大。

2008年,中国第一条高铁——京津城际铁路开通,随后又开通了武广高铁等更多的高铁线路,对IGBT的需求成倍增加。一个8列标准动车组就需要152个IGBT芯片,光这个芯片的成本就将近两百万元,每年中国高铁制造需要向国外采购十万个以上IGBT模块,采购资金超过12亿元人民币。

一片IGBT的价格折合人民币1.5万元,而且只卖成品。即使是作为中国牵引电传动技术的领军企业,中车株洲所也依然要每年花费数亿元从国外采购IGBT产品。

技术和市场被垄断,国外器件的采购又面临“长周期、高价格”。一个IGBT器件部件,采购周期长达数月甚至半年以上,长此以往,必将影响我国电力电子产业的持续健康快速发展,并严重阻碍我国战略性新兴产业的长远发展,特别是在轨道交通牵引装备、柔性直流输电等基础产业领域,这是一个“憋屈”的现实。

自主设计制造中国人自己的IGBT芯片,打造一条从IGBT芯片研制—模块封装—系统应用测试的完整IGBT产业链,成为国家和产业界的共同诉求。

转折点出现在2008年10月31日,中车株洲所旗下的中车时代电气股份有限公司成功收购了英国丹尼克斯半导体公司75%的股权,成为中国轨道交通装备企业首个海外并购项目。

相比于联想收购IBM等大型海外并购,中车时代电气对丹尼克斯的并购,交易金额还不到1亿元人民币,可以说“并不起眼”。但对于中国半导体行业来说,这却是一桩了不起的并购——丹尼克斯导体公司是世界知名的半导体公司,也是全球最早开发IGBT技术的厂家。

事实上,正是这次收购,彻底改变了我国IGBT技术及产业长期受制于人的局面。

IGBT制造:针尖上“绣花”

借助丹尼克斯半导体公司在欧洲的“桥头堡”作用,2010年5月,中国中车株洲所在英国林肯成立功率半导体研发中心,成为中国轨道交通装备制造企业首个海外研发中心。30多位专家远赴英国,与丹尼克斯的专家、技术人员一起,投入精力集中开发新一代IGBT芯片和新一代高功率密度IGBT模块等。

与此同时,中车株洲所在国内加快了IGBT产业化的进程。2009年,第一条工艺能力完整的IGBT模块封装线在国内建成,该生产线定位于技术要求最高的轨道交通用高压IGBT的封装,年产能超过6万只IGBT模块。

2013年12月27日,来自中国科学院、中国工程院的四位院士及十余位国内知名专家齐聚中车株洲所,仔细审视一块指甲大小的银白色芯片,并发出“啧啧”赞叹,这是一次意义重大的现场鉴定。

这块指甲大小的银白色芯片,正是中国企业自主研制的第一款国内最大电压等级、最高功率密度的6500伏高压IGBT芯片。

经过鉴定,专家们一致认为:该成果总体技术处于国际领先水平、填补了国内行业空白,实现了中国在高端IGBT技术领域与国际先进水平接轨,具有重大战略意义。

2014年6月,第一片由我国自主研制具有完全知识产权的8英寸IGBT芯片在中车时代电气成功下线,预示着高铁拥有了第一颗“中国芯”,第一片8英寸晶圆被中国科技馆永久收藏。

这也标志着中车株洲所斥资16亿元建设的国内首条8英寸IGBT专业芯片线正式投产,这也是世界上第二条8英寸IGBT专业芯片生产线。它的投产真正打破了国外公司在高端IGBT芯片技术上的垄断。

如今,中车时代电气的8英寸IGBT生产线,每年能制造12万只芯片。不仅如此,中车还在全球最大的轨道交通装备智能工厂,用智能机器人武装的生产线制造出了IGBT牵引变流器,生产时间比原来缩短了70%。

中车时代电气IGBT制造中心副主任罗海辉指着一个晶圆说,这些芯片是分布在一个八英寸的晶圆上面,每一个指甲盖大小的一个小方块就是一个芯片。每片晶圆的厚度只有50微米,相当于只有人体头发丝的一半左右,并且每个指甲盖大小的芯片都由5万个微米大小的元胞组成,其复杂程度可见一斑。IGBT的制造,就是相当于在针尖上“绣花”。

“你别看它面积小,一个小小的芯片可以处理的能量,就相当于100台电炉发出来的热量。”罗海辉说,IGBT不同于处理信息或储存数据的芯片,IGBT的主要工作就是控制和传输电能。一个指甲盖大小的芯片组成的IGBT可以处理6500W以上的超高电压,IGBT芯片工作时可以在短短1秒内实现10万次电流开关动作,从而驱动高铁飞速行驶。

如今,中国自主生产的IGBT已经被运用于全国各城市轨道交通领域,机车市场占有率达到70%以上。2015年10月,装备有中车时代电气8英寸IGBT芯片的中国出口东盟的首个轻轨项目——马来西亚安邦线轻轨投入运营,中国“芯”也实现了走出国门。

名词解释

IGBT——机车之核

IGBT,学术全称为“绝缘栅双极晶体管”,是自动控制和功率变换的关键部件,也是功率半导体器件第三次技术革命的代表性产品。

高铁之所以能跑到时速200公里至300公里,甚至更快,而且还要实现重载,必须要有一个强大而持续发力的“心脏”,这一个心脏就是牵引电传动系统。其关键核心部件就是牵引变流器,它是高铁功率转换的必备部件,变流器的核心就是IGBT。

尽管一块IGBT模块只有巴掌大小,它却是驾驭机车的“命脉”。所以,业界也把IGBT称为“机车之核”,足见其重要性。

2014年6月,第一片由我国自主研制具有完全知识产权的8英寸IGBT芯片在中车时代电气成功下线,意味着“高铁芯”终于实现了国产化。

实际上,IGBT不仅在高铁上应用,其在航空航天、船舶驱动、智能电网、新能源装备等新兴产业,同样具有不可替代的作用。



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