揭秘“高鐵芯”的前世今生

通訊員 胡小亮 劉偉

實(shí)習(xí)生 田智鵬

眾所周知，中國(guó)高鐵已經(jīng)被海外輿論稱為當(dāng)今世界新的“四大發(fā)明”之一，但是鮮為人知的是，中國(guó)高鐵為了掌握一度被發(fā)達(dá)國(guó)家壟斷的“機(jī)車之核”核心技術(shù)，并將其發(fā)展為具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“高鐵芯”技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈，經(jīng)歷了怎樣的艱難曲折。

如今，我們的“高鐵芯”核心技術(shù)不僅應(yīng)用在中國(guó)高鐵上，而且也逐步“走出國(guó)門(mén)”，并且應(yīng)用到了新能源電動(dòng)客車的研發(fā)之中。

智能客車裝上“高鐵芯”

7月18日，中國(guó)中車旗下湖南中車時(shí)代電動(dòng)汽車股份有限公司(簡(jiǎn)稱“中車電動(dòng)”)面向新能源客車領(lǐng)域，推出了自主研發(fā)的第五代純電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)平臺(tái)T“動(dòng)力”(英文名T-Power)和全球首款12米智能客車。這一款裝了“高鐵芯”的全新的新能源電動(dòng)客車動(dòng)力系統(tǒng)——T“動(dòng)力”，其研發(fā)被譽(yù)為為我國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)注入了新的引擎，是新能源客車領(lǐng)域的一場(chǎng)革命性技術(shù)變革。

中車電動(dòng)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)事業(yè)部市場(chǎng)管理部部長(zhǎng)劉毅告訴羊城晚報(bào)記者，T“動(dòng)力”的控制總成僅有不到35公斤，體積是同類控制總成的一半大小，寬度也僅為A2打印紙大小，是國(guó)內(nèi)體積最小、集成度最高的控制總成。

劉毅說(shuō)，T“動(dòng)力”在性能上不僅可以滿足新能源客車在不同路況下的瞬間啟動(dòng)和加減速需求，還能幫助車輛爬上40度的陡坡。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試和實(shí)踐驗(yàn)證，T“動(dòng)力”可在65℃高溫環(huán)境下持續(xù)運(yùn)行96小時(shí)，-40℃低溫環(huán)境下連續(xù)工作48小時(shí)。

“行駛中，各類信息會(huì)全部匯總到控制大腦。電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)則響應(yīng)由‘大腦’主控制器發(fā)出的指令。比如判斷為綠燈則會(huì)直接通過(guò)，如認(rèn)為到達(dá)路口為紅燈或黃燈，則會(huì)提前減速，直至路口停車。一旦遇到緊急情況，自動(dòng)駕駛客車會(huì)依情況緊急程度，采取不同的減速度進(jìn)行制動(dòng)。”中車電動(dòng)總經(jīng)理助理唐廣迪說(shuō)。

T“動(dòng)力”系統(tǒng)是如何實(shí)現(xiàn)如此強(qiáng)大的功能的？其奧秘在于它的“基因”足夠強(qiáng)大，這一款革命性的控制總成，裝上了代表中國(guó)自主化水平最高的“高鐵芯”——IGBT。

劉毅說(shuō)，T“動(dòng)力”的強(qiáng)大，正是因?yàn)橛辛诉@顆“高鐵芯”的加持。每一臺(tái)T“動(dòng)力”，都有6個(gè)分立的IGBT模塊。IGBT實(shí)現(xiàn)了T“動(dòng)力”的高度集成化，成為了新能源汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的革命性產(chǎn)品。

事實(shí)上，作為融合多種高科技于一身的集大成者，IGBT尤其是高電壓高電流IGBT芯片技術(shù)一直被譽(yù)為現(xiàn)代機(jī)車車輛技術(shù)“皇冠上的明珠”。

其實(shí)，還在三年前，在長(zhǎng)達(dá)近30年時(shí)間里，這一等同于“命脈”、“心臟”的IGBT，其核心技術(shù)一直掌握在美國(guó)、德國(guó)和日本等少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家手中。作為IGBT應(yīng)用市場(chǎng)最為龐大的中國(guó)，幾乎所有的機(jī)車車輛所用的IGBT模塊，只能全部依賴于進(jìn)口。特別是在高等級(jí)的IGBT器件上，完全沒(méi)有中國(guó)人的一席之地。

一樁不起眼的海外并購(gòu)

每只IGBT芯片的制造需要通過(guò)200多道工序，其中涉及半導(dǎo)體、機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、材料和化工等多門(mén)復(fù)雜學(xué)科融合，目前在國(guó)際上能制造大功率IGBT芯片的企業(yè)也是少之又少。

然而，上至航空航天、武器制造，下至軌道交通和電力電網(wǎng)都離不開(kāi)IGBT，誰(shuí)掌握了IGBT制造應(yīng)用技術(shù)，誰(shuí)就占據(jù)了功率半導(dǎo)體技術(shù)的制高點(diǎn)。

早在2007年，國(guó)家相關(guān)部委曾聯(lián)合下發(fā)了《當(dāng)前優(yōu)先發(fā)展的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化重點(diǎn)領(lǐng)域指南》，明確指出要重點(diǎn)鼓勵(lì)發(fā)展IGBT項(xiàng)目，并將IGBT器件技術(shù)作為我國(guó)重大專項(xiàng)課題，曾投入百億元之巨，集中進(jìn)行研發(fā)，但因?yàn)榉N種原因，進(jìn)展緩慢，成效不大。

2008年，中國(guó)第一條高鐵——京津城際鐵路開(kāi)通，隨后又開(kāi)通了武廣高鐵等更多的高鐵線路，對(duì)IGBT的需求成倍增加。一個(gè)8列標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組就需要152個(gè)IGBT芯片，光這個(gè)芯片的成本就將近兩百萬(wàn)元，每年中國(guó)高鐵制造需要向國(guó)外采購(gòu)十萬(wàn)個(gè)以上IGBT模塊，采購(gòu)資金超過(guò)12億元人民幣。

一片IGBT的價(jià)格折合人民幣1.5萬(wàn)元，而且只賣(mài)成品。即使是作為中國(guó)牽引電傳動(dòng)技術(shù)的領(lǐng)軍企業(yè)，中車株洲所也依然要每年花費(fèi)數(shù)億元從國(guó)外采購(gòu)IGBT產(chǎn)品。

技術(shù)和市場(chǎng)被壟斷，國(guó)外器件的采購(gòu)又面臨“長(zhǎng)周期、高價(jià)格”。一個(gè)IGBT器件部件，采購(gòu)周期長(zhǎng)達(dá)數(shù)月甚至半年以上，長(zhǎng)此以往，必將影響我國(guó)電力電子產(chǎn)業(yè)的持續(xù)健康快速發(fā)展，并嚴(yán)重阻礙我國(guó)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，特別是在軌道交通牽引裝備、柔性直流輸電等基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，這是一個(gè)“憋屈”的現(xiàn)實(shí)。

自主設(shè)計(jì)制造中國(guó)人自己的IGBT芯片，打造一條從IGBT芯片研制—模塊封裝—系統(tǒng)應(yīng)用測(cè)試的完整IGBT產(chǎn)業(yè)鏈，成為國(guó)家和產(chǎn)業(yè)界的共同訴求。

轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)在2008年10月31日，中車株洲所旗下的中車時(shí)代電氣股份有限公司成功收購(gòu)了英國(guó)丹尼克斯半導(dǎo)體公司75%的股權(quán)，成為中國(guó)軌道交通裝備企業(yè)首個(gè)海外并購(gòu)項(xiàng)目。

相比于聯(lián)想收購(gòu)IBM等大型海外并購(gòu)，中車時(shí)代電氣對(duì)丹尼克斯的并購(gòu)，交易金額還不到1億元人民幣，可以說(shuō)“并不起眼”。但對(duì)于中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)來(lái)說(shuō)，這卻是一樁了不起的并購(gòu)——丹尼克斯導(dǎo)體公司是世界知名的半導(dǎo)體公司，也是全球最早開(kāi)發(fā)IGBT技術(shù)的廠家。

事實(shí)上，正是這次收購(gòu)，徹底改變了我國(guó)IGBT技術(shù)及產(chǎn)業(yè)長(zhǎng)期受制于人的局面。

IGBT制造：針尖上“繡花”

借助丹尼克斯半導(dǎo)體公司在歐洲的“橋頭堡”作用，2010年5月，中國(guó)中車株洲所在英國(guó)林肯成立功率半導(dǎo)體研發(fā)中心，成為中國(guó)軌道交通裝備制造企業(yè)首個(gè)海外研發(fā)中心。30多位專家遠(yuǎn)赴英國(guó)，與丹尼克斯的專家、技術(shù)人員一起，投入精力集中開(kāi)發(fā)新一代IGBT芯片和新一代高功率密度IGBT模塊等。

與此同時(shí)，中車株洲所在國(guó)內(nèi)加快了IGBT產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。2009年，第一條工藝能力完整的IGBT模塊封裝線在國(guó)內(nèi)建成，該生產(chǎn)線定位于技術(shù)要求最高的軌道交通用高壓IGBT的封裝，年產(chǎn)能超過(guò)6萬(wàn)只IGBT模塊。

2013年12月27日，來(lái)自中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)工程院的四位院士及十余位國(guó)內(nèi)知名專家齊聚中車株洲所，仔細(xì)審視一塊指甲大小的銀白色芯片，并發(fā)出“嘖嘖”贊嘆，這是一次意義重大的現(xiàn)場(chǎng)鑒定。

這塊指甲大小的銀白色芯片，正是中國(guó)企業(yè)自主研制的第一款國(guó)內(nèi)最大電壓等級(jí)、最高功率密度的6500伏高壓IGBT芯片。

經(jīng)過(guò)鑒定，專家們一致認(rèn)為：該成果總體技術(shù)處于國(guó)際領(lǐng)先水平、填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)行業(yè)空白，實(shí)現(xiàn)了中國(guó)在高端IGBT技術(shù)領(lǐng)域與國(guó)際先進(jìn)水平接軌，具有重大戰(zhàn)略意義。

2014年6月，第一片由我國(guó)自主研制具有完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)的8英寸IGBT芯片在中車時(shí)代電氣成功下線，預(yù)示著高鐵擁有了第一顆“中國(guó)芯”，第一片8英寸晶圓被中國(guó)科技館永久收藏。

這也標(biāo)志著中車株洲所斥資16億元建設(shè)的國(guó)內(nèi)首條8英寸IGBT專業(yè)芯片線正式投產(chǎn)，這也是世界上第二條8英寸IGBT專業(yè)芯片生產(chǎn)線。它的投產(chǎn)真正打破了國(guó)外公司在高端IGBT芯片技術(shù)上的壟斷。

如今，中車時(shí)代電氣的8英寸IGBT生產(chǎn)線，每年能制造12萬(wàn)只芯片。不僅如此，中車還在全球最大的軌道交通裝備智能工廠，用智能機(jī)器人武裝的生產(chǎn)線制造出了IGBT牽引變流器，生產(chǎn)時(shí)間比原來(lái)縮短了70%。

中車時(shí)代電氣IGBT制造中心副主任羅海輝指著一個(gè)晶圓說(shuō)，這些芯片是分布在一個(gè)八英寸的晶圓上面，每一個(gè)指甲蓋大小的一個(gè)小方塊就是一個(gè)芯片。每片晶圓的厚度只有50微米，相當(dāng)于只有人體頭發(fā)絲的一半左右，并且每個(gè)指甲蓋大小的芯片都由5萬(wàn)個(gè)微米大小的元胞組成，其復(fù)雜程度可見(jiàn)一斑。IGBT的制造，就是相當(dāng)于在針尖上“繡花”。

“你別看它面積小，一個(gè)小小的芯片可以處理的能量，就相當(dāng)于100臺(tái)電爐發(fā)出來(lái)的熱量。”羅海輝說(shuō)，IGBT不同于處理信息或儲(chǔ)存數(shù)據(jù)的芯片，IGBT的主要工作就是控制和傳輸電能。一個(gè)指甲蓋大小的芯片組成的IGBT可以處理6500W以上的超高電壓，IGBT芯片工作時(shí)可以在短短1秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)10萬(wàn)次電流開(kāi)關(guān)動(dòng)作，從而驅(qū)動(dòng)高鐵飛速行駛。

如今，中國(guó)自主生產(chǎn)的IGBT已經(jīng)被運(yùn)用于全國(guó)各城市軌道交通領(lǐng)域，機(jī)車市場(chǎng)占有率達(dá)到70%以上。2015年10月，裝備有中車時(shí)代電氣8英寸IGBT芯片的中國(guó)出口東盟的首個(gè)輕軌項(xiàng)目——馬來(lái)西亞安邦線輕軌投入運(yùn)營(yíng)，中國(guó)“芯”也實(shí)現(xiàn)了走出國(guó)門(mén)。

名詞解釋

IGBT——機(jī)車之核

IGBT，學(xué)術(shù)全稱為“絕緣柵雙極晶體管”，是自動(dòng)控制和功率變換的關(guān)鍵部件，也是功率半導(dǎo)體器件第三次技術(shù)革命的代表性產(chǎn)品。

高鐵之所以能跑到時(shí)速200公里至300公里，甚至更快，而且還要實(shí)現(xiàn)重載，必須要有一個(gè)強(qiáng)大而持續(xù)發(fā)力的“心臟”，這一個(gè)心臟就是牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)。其關(guān)鍵核心部件就是牽引變流器，它是高鐵功率轉(zhuǎn)換的必備部件，變流器的核心就是IGBT。

盡管一塊IGBT模塊只有巴掌大小，它卻是駕馭機(jī)車的“命脈”。所以，業(yè)界也把IGBT稱為“機(jī)車之核”，足見(jiàn)其重要性。

2014年6月，第一片由我國(guó)自主研制具有完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)的8英寸IGBT芯片在中車時(shí)代電氣成功下線，意味著“高鐵芯”終于實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化。

實(shí)際上，IGBT不僅在高鐵上應(yīng)用，其在航空航天、船舶驅(qū)動(dòng)、智能電網(wǎng)、新能源裝備等新興產(chǎn)業(yè)，同樣具有不可替代的作用。