兩列“復(fù)興號(hào)”從京滬兩地同時(shí)對(duì)開(kāi)首發(fā)。這是中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組的正式亮相。中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)少不了“中國(guó)芯”——大功率IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）技術(shù)。正是它悄然把控著機(jī)車(chē)的自動(dòng)控制和功率變換。
這項(xiàng)被譽(yù)為“皇冠上的明珠”的現(xiàn)代機(jī)車(chē)車(chē)輛技術(shù)，被德國(guó)、日本等國(guó)把控了30年。如今，由中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)研究所有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“中車(chē)株洲所”）研發(fā)突破，實(shí)現(xiàn)了自主國(guó)產(chǎn)化。
中車(chē)株洲所技術(shù)人員正在操作
國(guó)家難題
高速和重載是現(xiàn)代機(jī)車(chē)車(chē)輛裝備發(fā)展的兩個(gè)重要方向，兩者的關(guān)鍵都在于給機(jī)車(chē)提供一個(gè)強(qiáng)大而持續(xù)發(fā)力的“心臟”——牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)。而牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)里，一塊巴掌大小的IGBT模塊，成為“命脈”。
過(guò)去，我國(guó)機(jī)車(chē)車(chē)輛用IGBT模塊都要從德國(guó)、日本進(jìn)口，特別是在高等級(jí)的IGBT器件上，更沒(méi)有中國(guó)人的一席之地。2008年，隨著高鐵建設(shè)的加快，需求倍增，一個(gè)8列的動(dòng)車(chē)組就需要152個(gè)芯片，成本高達(dá)200萬(wàn)元。每年中國(guó)需要10萬(wàn)只芯片，總金額高達(dá)12億元。
中車(chē)株洲所IGBT項(xiàng)目的一位研發(fā)負(fù)責(zé)人說(shuō)，國(guó)際產(chǎn)品銷(xiāo)售市場(chǎng)中，中國(guó)并非優(yōu)先級(jí)，我們買(mǎi)的價(jià)格貴，一個(gè)模塊就高達(dá)1萬(wàn)多元，而且只能買(mǎi)成品，產(chǎn)品交貨周期很長(zhǎng)。
IGBT器件技術(shù)分為芯片、模塊封裝及應(yīng)用測(cè)試三大塊。芯片技術(shù)是其中最為關(guān)鍵的技術(shù)。
以7200千瓦大功率交流電力機(jī)車(chē)用IGBT為例，一塊巴掌大小的IGBT模塊內(nèi)共有36塊指甲大小的芯片，每塊芯片并聯(lián)擺放5萬(wàn)個(gè)被稱(chēng)作為“元胞”的電子單元。這些“元胞”相當(dāng)于IGBT的“細(xì)胞”，它們能夠在百萬(wàn)分之一秒的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)電流的快速轉(zhuǎn)化。而要在指甲大小的芯片上均勻加工處理5萬(wàn)個(gè)細(xì)如發(fā)絲的“元胞”，難度無(wú)異于在“針尖上繡花”。
2007年，國(guó)家相關(guān)部委將IGBT器件技術(shù)作為我國(guó)重大專(zhuān)項(xiàng)課題，投入巨資，集中研發(fā)，但進(jìn)展緩慢。
并購(gòu)?fù)粐?/strong>
中車(chē)株洲所在上世紀(jì)60年代建所，從零起步開(kāi)始了電力機(jī)車(chē)電氣系統(tǒng)的研究、設(shè)計(jì)、制造工作，曾依靠自己的力量，聯(lián)合主機(jī)廠生產(chǎn)出了新中國(guó)首臺(tái)電力機(jī)車(chē)，并首次將硅整流器取代傳統(tǒng)的引燃管整流器，開(kāi)啟了國(guó)產(chǎn)電力機(jī)車(chē)的“電力電子時(shí)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(guó)80萬(wàn)伏以上的超高壓直流輸電成為現(xiàn)實(shí)。
2007年年末，席卷全球的金融危機(jī)為中車(chē)株洲所帶來(lái)了機(jī)遇。
成立于1956年的英國(guó)老牌企業(yè)丹尼克斯半導(dǎo)體公司因?yàn)榻鹑谖C(jī)陷入困境。它是世界最早進(jìn)行IGBT技術(shù)研發(fā)的廠家，該公司有一條4英寸生產(chǎn)線，因缺少資金和應(yīng)用平臺(tái)，發(fā)展較為緩慢。2008年10月31日，中國(guó)中車(chē)株洲所下屬的時(shí)代電氣股份有限公司成功收購(gòu)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。
2010年5月，中車(chē)株洲所在英國(guó)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，集中開(kāi)發(fā)新一代IGBT芯片技術(shù)、新一代高功率密度IGBT模塊技術(shù)和下一代碳化硅功率器件技術(shù)等前沿基礎(chǔ)技術(shù)，并從所里派出了多批技術(shù)專(zhuān)家前往英國(guó)。
中車(chē)株洲所投入巨資，為丹尼克斯建成了多年夢(mèng)寐以求的6英寸IGBT芯片生產(chǎn)線。隨后，更多國(guó)內(nèi)技術(shù)人員來(lái)到英國(guó)，新開(kāi)發(fā)出多個(gè)1700伏以上高等級(jí)IGBT模塊。合作順利的雙方攜手進(jìn)行下一代高功率IGBT芯片技術(shù)研究、生產(chǎn)。
高端技術(shù)
2013年12月27日，來(lái)自中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)工程院的4位院士及10余位國(guó)內(nèi)知名專(zhuān)家齊聚中車(chē)株洲所。一塊指甲大小的銀白色芯片，引發(fā)陣陣驚嘆。
這是中國(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。該成果總體技術(shù)處于國(guó)際領(lǐng)先水平、填補(bǔ)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。
每一列高鐵用到3000~5000個(gè)芯片，鋪列開(kāi)來(lái)有1平方米的面積，處理的是兆瓦級(jí)功率，一個(gè)芯片失效會(huì)導(dǎo)致高鐵故障。無(wú)論軌道交通，還是新能源、工業(yè)變頻，都高度依賴(lài)。
中車(chē)株洲所半導(dǎo)體事業(yè)部副總經(jīng)理羅海輝透露，IGBT芯片從前期研發(fā)到產(chǎn)業(yè)化，都有國(guó)家戰(zhàn)略在引導(dǎo)。他說(shuō)，每個(gè)IGBT的制造需要通過(guò)200多道工序，涉及機(jī)械、半導(dǎo)體、材料、化工等多門(mén)復(fù)雜學(xué)科，目前能在國(guó)際上制造大功率IGBT芯片的國(guó)家屈指可數(shù)。
目前，中車(chē)株洲所投資14億元建設(shè)了國(guó)內(nèi)第一條8英寸的IGBT芯片生產(chǎn)基地，成為國(guó)內(nèi)唯一一家全面掌握IGBT芯片技術(shù)研發(fā)、模塊封裝測(cè)試和系統(tǒng)應(yīng)用的企業(yè)，其技術(shù)可與世界頂尖的公司媲美，而價(jià)格卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。
2015年，我國(guó)自主研發(fā)的高功率IGBT芯片首次走出國(guó)門(mén)，出口印度。
目前，中車(chē)株洲所還與中國(guó)科學(xué)院微電子技術(shù)研究所共同開(kāi)展以碳化硅（SIC）為基礎(chǔ)材料的新型IGBT技術(shù)研發(fā)，已經(jīng)成功研制出芯片樣品，構(gòu)建了封裝模型。這意味著中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)又前進(jìn)了一大步。