中國高鐵何以“彎道超車”？揭秘“高鐵芯”的前世今生

世界上僅有兩條的8英寸IGBT生產線  （胡小亮 劉偉/攝）

眾所周知，中國高鐵已經被海外輿論稱為當今世界新的“四大發明”之一，但是鮮為人知的是，中國高鐵為了掌握一度被發達國家壟斷的“機車之核”核心技術，並將其發展為具有完全自主知識產權的“高鐵芯”技術產業鏈，經歷了怎樣的艱難曲折。

如今，我們的“高鐵芯”核心技術不僅應用在中國高鐵上，而且也逐步“走出國門”，並且應用到了新能源電動客車的研發之中。

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”）面向新能源客車領域，推出了自主研發的第五代純電驅動系統平台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——T“動力”，其研發被譽為為我國新能源汽車產業創新驅動注入了新的引擎，是新能源客車領域的一場革命性技術變革。

中車電動電驅動系統事業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。經實驗測試和實踐驗証，T“動力”可在65℃高溫環境下持續運行96小時，-40℃低溫環境下連續工作48小時。

“行駛中，各類信息會全部匯總到控制大腦。電驅動系統則響應由‘大腦’主控制器發出的指令。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，採取不同的減速度進行制動。”中車電動總經理助理唐廣迪說。

T“動力”系統是如何實現如此強大的功能的？其奧秘在於它的“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。每一台T“動力”，都有6個分立的IGBT模塊。IGBT實現了T“動力”的高度集成化，成為了新能源汽車驅動系統的革命性產品。

事實上，作為融合多種高科技於一身的集大成者，IGBT尤其是高電壓高電流IGBT芯片技術一直被譽為現代機車車輛技術“皇冠上的明珠”。

其實，還在三年前，在長達近30年時間裡，這一等同於“命脈”、“心臟”的IGBT，其核心技術一直掌握在美國、德國和日本等少數發達國家手中。作為IGBT應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，隻能全部依賴於進口。特別是在高等級的IGBT器件上，完全沒有中國人的一席之地。

一樁不起眼的海外並購

每隻IGBT芯片的制造需要通過200多道工序，其中涉及半導體、機械、電子、計算機、材料和化工等多門復雜學科融合，目前在國際上能制造大功率IGBT芯片的企業也是少之又少。

然而，上至航空航天、武器制造，下至軌道交通和電力電網都離不開IGBT，誰掌握了IGBT制造應用技術，誰就佔據了功率半導體技術的制高點。

早在2007年，國家相關部委曾聯合下發了《當前優先發展的高技術產業化重點領域指南》，明確指出要重點鼓勵發展IGBT項目，並將IGBT器件技術作為我國重大專項課題，曾投入百億元之巨，集中進行研發，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列標准動車組就需要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採購十萬個以上IGBT模塊，採購資金超過12億元人民幣。

一片IGBT的價格折合人民幣1.5萬元，而且隻賣成品。即使是作為中國牽引電傳動技術的領軍企業，中車株洲所也依然要每年花費數億元從國外採購IGBT產品。

技術和市場被壟斷，國外器件的採購又面臨“長周期、高價格”。一個IGBT器件部件，採購周期長達數月甚至半年以上，長此以往，必將影響我國電力電子產業的持續健康快速發展，並嚴重阻礙我國戰略性新興產業的長遠發展，特別是在軌道交通牽引裝備、柔性直流輸電等基礎產業領域，這是一個“憋屈”的現實。

自主設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—系統應用測試的完整IGBT產業鏈，成為國家和產業界的共同訴求。

轉折點出現在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體公司75%的股權，成為中國軌道交通裝備企業首個海外並購項目。

相比於聯想收購IBM等大型海外並購，中車時代電氣對丹尼克斯的並購，交易金額還不到1億元人民幣，可以說“並不起眼”。但對於中國半導體行業來說，這卻是一樁了不起的並購——丹尼克斯導體公司是世界知名的半導體公司，也是全球最早開發IGBT技術的廠家。

事實上，正是這次收購，徹底改變了我國IGBT技術及產業長期受制於人的局面。

GBT制造：針尖上“繡花”I

借助丹尼克斯半導體公司在歐洲的“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。30多位專家遠赴英國，與丹尼克斯的專家、技術人員一起，投入精力集中開發新一代IGBT芯片和新一代高功率密度IGBT模塊等。

與此同時，中車株洲所在國內加快了IGBT產業化的進程。2009年，第一條工藝能力完整的IGBT模塊封裝線在國內建成，該生產線定位於技術要求最高的軌道交通用高壓IGBT的封裝，年產能超過6萬隻IGBT模塊。

2013年12月27日，來自中國科學院、中國工程院的四位院士及十余位國內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，並發出“嘖嘖”贊嘆，這是一次意義重大的現場鑒定。

這塊指甲大小的銀白色芯片，正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。

經過鑒定，專家們一致認為：該成果總體技術處於國際領先水平、填補了國內行業空白，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。

2014年6月，第一片由我國自主研制具有完全知識產權的8英寸IGBT芯片在中車時代電氣成功下線，預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16億元建設的國內首條8英寸IGBT專業芯片線正式投產，這也是世界上第二條8英寸IGBT專業芯片生產線。它的投產真正打破了國外公司在高端IGBT芯片技術上的壟斷。

如今，中車時代電氣的8英寸IGBT生產線，每年能制造12萬隻芯片。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線制造出了IGBT牽引變流器，生產時間比原來縮短了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。每片晶圓的厚度隻有50微米，相當於隻有人體頭發絲的一半左右，並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，其復雜程度可見一斑。IGBT的制造，就是相當於在針尖上“繡花”。

“你別看它面積小，一個小小的芯片可以處理的能量，就相當於100台電爐發出來的熱量。”羅海輝說，IGBT不同於處理信息或儲存數據的芯片，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秒內實現10萬次電流開關動作，從而驅動高鐵飛速行駛。

如今，中國自主生產的IGBT已經被運用於全國各城市軌道交通領域，機車市場佔有率達到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”也實現了走出國門。

名詞解釋

IGBT——機車之核

IGBT，學術全稱為“絕緣柵雙極晶體管”，是自動控制和功率變換的關鍵部件，也是功率半導體器件第三次技術革命的代表性產品。

高鐵之所以能跑到時速200公裡至300公裡，甚至更快，而且還要實現重載，必須要有一個強大而持續發力的“心臟”，這一個心臟就是牽引電傳動系統。其關鍵核心部件就是牽引變流器，它是高鐵功率轉換的必備部件，變流器的核心就是IGBT。

盡管一塊IGBT模塊隻有巴掌大小，它卻是駕馭機車的“命脈”。所以，業界也把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權的8英寸IGBT芯片在中車時代電氣成功下線，意味著“高鐵芯”終於實現了國產化。

實際上，IGBT不僅在高鐵上應用，其在航空航天、船舶驅動、智能電網、新能源裝備等新興產業，同樣具有不可替代的作用。（通訊員 胡小亮 劉偉 實習生 田智鵬）