中國高鐵躍動“中國芯”

　　中車株洲所技術人員正在操作。胡小亮/攝

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　　6月26日上午11時05分，兩列“復興號”從京滬兩地同時對開首發。這是中國標準動車組的正式亮相。中國標準少不了“中國芯”——大功率IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）技術。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”的現代機車車輛技術，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”）研發突破，實現了自主國產化。

　　國家難題

　　高速和重載是現代機車車輛裝備發展的兩個重要方向，兩者的關鍵都在于給機車提供一個強大而持續發力的“心臟”——牽引電傳動系統。而牽引電傳動系統里，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200萬元。每年中國需要10萬只芯片，總金額高達12億元。

　　中車株洲所IGBT項目的一位研發負責人說，國際產品銷售市場中，中國并非優先級，我們買的價格貴，一個模塊就高達1萬多元，而且只能買成品，產品交貨周期很長。

　　IGBT器件技術分為芯片、模塊封裝及應用測試三大塊。芯片技術是其中最為關鍵的技術。

　　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模塊內共有36塊指甲大小的芯片，每塊芯片并聯擺放5萬個被稱作為“元胞”的電子單元。這些“元胞”相當于IGBT的“細胞”，它們能夠在百萬分之一秒的時間內實現電流的快速轉化。而要在指甲大小的芯片上均勻加工處理5萬個細如發絲的“元胞”，難度無異于在“針尖上繡花”。

　　2007年，國家相關部委將IGBT器件技術作為我國重大專項課題，投入巨資，集中研發，但進展緩慢。

　　并購突圍

　　中車株洲所在上世紀60年代建所，從零起步開始了電力機車電氣系統的研究、設計、制造工作，曾依靠自己的力量，聯合主機廠生產出了新中國首臺電力機車，并首次將硅整流器取代傳統的引燃管整流器，開啟了國產電力機車的“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年的英國老牌企業丹尼克斯半導體公司因為金融危機陷入困境。它是世界最早進行IGBT技術研發的廠家，該公司有一條4英寸生產線，因缺少資金和應用平臺，發展較為緩慢。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體公司75%的股權，成為中國軌道交通裝備企業首個海外并購項目。

　　2010年5月，中車株洲所在英國成立功率半導體研發中心，成為中國軌道交通裝備制造企業首個海外研發中心，集中開發新一代IGBT芯片技術、新一代高功率密度IGBT模塊技術和下一代碳化硅功率器件技術等前沿基礎技術，并從所里派出了多批技術專家前往英國。

　　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芯片生產線。隨后，更多國內技術人員來到英國，新開發出多個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芯片技術研究、生產。

　　高端技術

　　2013年12月27日，來自中國科學院、中國工程院的4位院士及10余位國內知名專家齊聚中車株洲所。一塊指甲大小的銀白色芯片，引發陣陣驚嘆。

　　這是中國企業自主研制的第一款國內最大電壓等級、最高功率密度的6500伏高壓IGBT芯片。該成果總體技術處于國際領先水平、填補國內行業空白，實現了中國在高端IGBT技術領域與國際先進水平接軌，具有重大戰略意義。

　　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，一個芯片失效會導致高鐵故障。無論軌道交通，還是新能源、工業變頻，都高度依賴。

　　中車株洲所半導體事業部副總經理羅海輝透露，IGBT芯片從前期研發到產業化，都有國家戰略在引導。他說，每個IGBT的制造需要通過200多道工序，涉及機械、半導體、材料、化工等多門復雜學科，目前能在國際上制造大功率IGBT芯片的國家屈指可數。

　　目前，中車株洲所投資14億元建設了國內第一條8英寸的IGBT芯片生產基地，成為國內唯一一家全面掌握IGBT芯片技術研發、模塊封裝測試和系統應用的企業，其技術可與世界頂尖的公司媲美，而價格卻遠遠低于競爭對手。

　　2015年，我國自主研發的高功率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院微電子技術研究所共同開展以碳化硅（SIC）為基礎材料的新型IGBT技術研發，已經成功研制出芯片樣品，構建了封裝模型。這意味著中國半導體產業又前進了一大步。

(責編：賀迎春、熊旭)