通訊員 胡小亮 劉偉

實習(xí)生 田智鵬

眾所周知，中國高鐵已經(jīng)被海外輿論稱為當今世界新的“四大發(fā)明”之一，但是鮮為人知的是，中國高鐵為了掌握一度被發(fā)達國家壟斷的“機車之核”核心技術(shù)，并將其發(fā)展為具有完全自主知識產(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)用在中國高鐵上，而且也逐步“走出國門”，并且應(yīng)用到了新能源電動客車的研發(fā)之中。

智能客車裝上“高鐵芯”

7月18日，中國中車旗下湖南中車時代電動汽車股份有限公司(簡稱“中車電動”)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)動系統(tǒng)平臺T“動力”(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客車動力系統(tǒng)——T“動力”，其研發(fā)被譽為為我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新驅(qū)動注入了新的引擎，是新能源客車領(lǐng)域的一場革命性技術(shù)變革。

中車電動電驅(qū)動系統(tǒng)事業(yè)部市場管理部部長劉毅告訴羊城晚報記者，T“動力”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，是國內(nèi)體積最小、集成度最高的控制總成。

劉毅說，T“動力”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和加減速需求，還能幫助車輛爬上40度的陡坡。經(jīng)實驗測試和實踐驗證，T“動力”可在65℃高溫環(huán)境下持續(xù)運行96小時，-40℃低溫環(huán)境下連續(xù)工作48小時。

“行駛中，各類信息會全部匯總到控制大腦。電驅(qū)動系統(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直接通過，如認為到達路口為紅燈或黃燈，則會提前減速，直至路口停車。一旦遇到緊急情況，自動駕駛客車會依情況緊急程度，采取不同的減速度進行制動。”中車電動總經(jīng)理助理唐廣迪說。

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

劉毅說，T“動力”的強大，正是因為有了這顆“高鐵芯”的加持。每一臺T“動力”，都有6個分立的IGBT模塊。IGBT實現(xiàn)了T“動力”的高度集成化，成為了新能源汽車驅(qū)動系統(tǒng)的革命性產(chǎn)品。

事實上，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)一直被譽為現(xiàn)代機車車輛技術(shù)“皇冠上的明珠”。

其實，還在三年前，在長達近30年時間里，這一等同于“命脈”、“心臟”的IGBT，其核心技術(shù)一直掌握在美國、德國和日本等少數(shù)發(fā)達國家手中。作為IGBT應(yīng)用市場最為龐大的中國，幾乎所有的機車車輛所用的IGBT模塊，只能全部依賴于進口。特別是在高等級的IGBT器件上，完全沒有中國人的一席之地。

一樁不起眼的海外并購

每只IGBT芯片的制造需要通過200多道工序，其中涉及半導(dǎo)體、機械、電子、計算機、材料和化工等多門復(fù)雜學(xué)科融合，目前在國際上能制造大功率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IGBT，誰掌握了IGBT制造應(yīng)用技術(shù)，誰就占據(jù)了功率半導(dǎo)體技術(shù)的制高點。

早在2007年，國家相關(guān)部委曾聯(lián)合下發(fā)了《當前優(yōu)先發(fā)展的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化重點領(lǐng)域指南》，明確指出要重點鼓勵發(fā)展IGBT項目，并將IGBT器件技術(shù)作為我國重大專項課題，曾投入百億元之巨，集中進行研發(fā)，但因為種種原因，進展緩慢，成效不大。

2008年，中國第一條高鐵——京津城際鐵路開通，隨后又開通了武廣高鐵等更多的高鐵線路，對IGBT的需求成倍增加。一個8列標準動車組就需要152個IGBT芯片，光這個芯片的成本就將近兩百萬元，每年中國高鐵制造需要向國外采購十萬個以上IGBT模塊，采購資金超過12億元人民幣。

一片IGBT的價格折合人民幣1.5萬元，而且只賣成品。即使是作為中國牽引電傳動技術(shù)的領(lǐng)軍企業(yè)，中車株洲所也依然要每年花費數(shù)億元從國外采購IGBT產(chǎn)品。

技術(shù)和市場被壟斷，國外器件的采購又面臨“長周期、高價格”。一個IGBT器件部件，采購周期長達數(shù)月甚至半年以上，長此以往，必將影響我國電力電子產(chǎn)業(yè)的持續(xù)健康快速發(fā)展，并嚴重阻礙我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的長遠發(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“憋屈”的現(xiàn)實。

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

轉(zhuǎn)折點出現(xiàn)在2008年10月31日，中車株洲所旗下的中車時代電氣股份有限公司成功收購了英國丹尼克斯半導(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。

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

事實上，正是這次收購，徹底改變了我國IGBT技術(shù)及產(chǎn)業(yè)長期受制于人的局面。

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，中國中車株洲所在英國林肯成立功率半導(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。30多位專家遠赴英國，與丹尼克斯的專家、技術(shù)人員一起，投入精力集中開發(fā)新一代IGBT芯片和新一代高功率密度IGBT模塊等。

與此同時，中車株洲所在國內(nèi)加快了IGBT產(chǎn)業(yè)化的進程。2009年，第一條工藝能力完整的IGBT模塊封裝線在國內(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6萬只IGBT模塊。

2013年12月27日，來自中國科學(xué)院、中國工程院的四位院士及十余位國內(nèi)知名專家齊聚中車株洲所，仔細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)場鑒定。

這塊指甲大小的銀白色芯片，正是中國企業(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。

經(jīng)過鑒定，專家們一致認為：該成果總體技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平、填補了國內(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。

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

這也標志著中車株洲所斥資16億元建設(shè)的國內(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)真正打破了國外公司在高端IGBT芯片技術(shù)上的壟斷。

如今，中車時代電氣的8英寸IGBT生產(chǎn)線，每年能制造12萬只芯片。不僅如此，中車還在全球最大的軌道交通裝備智能工廠，用智能機器人武裝的生產(chǎn)線制造出了IGBT牽引變流器，生產(chǎn)時間比原來縮短了70%。

中車時代電氣IGBT制造中心副主任羅海輝指著一個晶圓說，這些芯片是分布在一個八英寸的晶圓上面，每一個指甲蓋大小的一個小方塊就是一個芯片。每片晶圓的厚度只有50微米，相當于只有人體頭發(fā)絲的一半左右，并且每個指甲蓋大小的芯片都由5萬個微米大小的元胞組成，其復(fù)雜程度可見一斑。IGBT的制造，就是相當于在針尖上“繡花”。

“你別看它面積小，一個小小的芯片可以處理的能量，就相當于100臺電爐發(fā)出來的熱量。”羅海輝說，IGBT不同于處理信息或儲存數(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芯片工作時可以在短短1秒內(nèi)實現(xiàn)10萬次電流開關(guān)動作，從而驅(qū)動高鐵飛速行駛。

如今，中國自主生產(chǎn)的IGBT已經(jīng)被運用于全國各城市軌道交通領(lǐng)域，機車市場占有率達到70%以上。2015年10月，裝備有中車時代電氣8英寸IGBT芯片的中國出口東盟的首個輕軌項目——馬來西亞安邦線輕軌投入運營，中國“芯”也實現(xiàn)了走出國門。

名詞解釋

IGBT——機車之核

IGBT，學(xué)術(shù)全稱為“絕緣柵雙極晶體管”，是自動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速200公里至300公里，甚至更快，而且還要實現(xiàn)重載，必須要有一個強大而持續(xù)發(fā)力的“心臟”，這一個心臟就是牽引電傳動系統(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，它卻是駕馭機車的“命脈”。所以，業(yè)界也把IGBT稱為“機車之核”，足見其重要性。

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

實際上，IGBT不僅在高鐵上應(yīng)用，其在航空航天、船舶驅(qū)動、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。