中国芯悄然把控高铁“命脉”

2017-06-30 10:24 院校科研   来源:中国青年报

导读6月26日上午11时05分,两列“复兴号”从京沪两地同时对开首发。这是中国标准动车组的正式亮相。中国标准少不了“中国芯”——大功率IGBT(绝缘栅双极型晶体管)技术。正是它悄然把控着机车的自动控制和功率变换。  

6月26日上午11时05分,两列“复兴号”从京沪两地同时对开首发。这是中国标准动车组的正式亮相。中国标准少不了“中国芯”——大功率IGBT(绝缘栅双极型晶体管)技术。正是它悄然把控着机车的自动控制和功率变换。

这项被誉为“皇冠上的明珠”的现代机车车辆技术,被德国、日本等国把控了30年。如今,由中车株洲电力机车研究所有限公司(以下简称“中车株洲所”)研发突破,实现了自主国产化。

中国芯守护高铁“命脉”

中车株洲所技术人员正在操作

国家难题

高速和重载是现代机车车辆装备发展的两个重要方向,两者的关键都在于给机车提供一个强大而持续发力的“心脏”——牵引电传动系统。而牵引电传动系统里,一块巴掌大小的IGBT模块,成为“命脉”。

过去,我国机车车辆用IGBT模块都要从德国、日本进口,特别是在高等级的IGBT器件上,更没有中国人的一席之地。2008年,随着高铁建设的加快,需求倍增,一个8列的动车组就需要152个芯片,成本高达200万元。每年中国需要10万只芯片,总金额高达12亿元。

中车株洲所IGBT项目的一位研发负责人说,国际产品销售市场中,中国并非优先级,我们买的价格贵,一个模块就高达1万多元,而且只能买成品,产品交货周期很长。

IGBT器件技术分为芯片、模块封装及应用测试三大块。芯片技术是其中最为关键的技术。

以7200千瓦大功率交流电力机车用IGBT为例,一块巴掌大小的IGBT模块内共有36块指甲大小的芯片,每块芯片并联摆放5万个被称作为“元胞”的电子单元。这些“元胞”相当于IGBT的“细胞”,它们能够在百万分之一秒的时间内实现电流的快速转化。而要在指甲大小的芯片上均匀加工处理5万个细如发丝的“元胞”,难度无异于在“针尖上绣花”。

2007年,国家相关部委将IGBT器件技术作为我国重大专项课题,投入巨资,集中研发,但进展缓慢。

并购突围

中车株洲所在上世纪60年代建所,从零起步开始了电力机车电气系统的研究、设计、制造工作,曾依靠自己的力量,联合主机厂生产出了新中国首台电力机车,并首次将硅整流器取代传统的引燃管整流器,开启了国产电力机车的“电力电子时代”。

2006年,该所成功研制世界上第一只6英寸晶闸管,这是世界上最大直径、最大电流电压容量的晶闸管,使我国80万伏以上的超高压直流输电成为现实。

2007年年末,席卷全球的金融危机为中车株洲所带来了机遇。

成立于1956年的英国老牌企业丹尼克斯半导体公司因为金融危机陷入困境。它是世界最早进行IGBT技术研发的厂家,该公司有一条4英寸生产线,因缺少资金和应用平台,发展较为缓慢。2008年10月31日,中国中车株洲所下属的时代电气股份有限公司成功收购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。

2010年5月,中车株洲所在英国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,集中开发新一代IGBT芯片技术、新一代高功率密度IGBT模块技术和下一代碳化硅功率器件技术等前沿基础技术,并从所里派出了多批技术专家前往英国。

中车株洲所投入巨资,为丹尼克斯建成了多年梦寐以求的6英寸IGBT芯片生产线。随后,更多国内技术人员来到英国,新开发出多个1700伏以上高等级IGBT模块。合作顺利的双方携手进行下一代高功率IGBT芯片技术研究、生产。

高端技术

2013年12月27日,来自中国科学院、中国工程院的4位院士及10余位国内知名专家齐聚中车株洲所。一块指甲大小的银白色芯片,引发阵阵惊叹。

这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。该成果总体技术处于国际领先水平、填补国内行业空白,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。

每一列高铁用到3000~5000个芯片,铺列开来有1平方米的面积,处理的是兆瓦级功率,一个芯片失效会导致高铁故障。无论轨道交通,还是新能源、工业变频,都高度依赖。

中车株洲所半导体事业部副总经理罗海辉透露,IGBT芯片从前期研发到产业化,都有国家战略在引导。他说,每个IGBT的制造需要通过200多道工序,涉及机械、半导体、材料、化工等多门复杂学科,目前能在国际上制造大功率IGBT芯片的国家屈指可数。

目前,中车株洲所投资14亿元建设了国内第一条8英寸的IGBT芯片生产基地,成为国内唯一一家全面掌握IGBT芯片技术研发、模块封装测试和系统应用的企业,其技术可与世界顶尖的公司媲美,而价格却远远低于竞争对手。

2015年,我国自主研发的高功率IGBT芯片首次走出国门,出口印度。

目前,中车株洲所还与中国科学院微电子技术研究所共同开展以碳化硅(SIC)为基础材料的新型IGBT技术研发,已经成功研制出芯片样品,构建了封装模型。这意味着中国半导体产业又前进了一大步。

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