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《经济半小时》 20170406 中国芯生存状态调查:高铁装上中国芯

来源:央视网2017年04月06日 23:06

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央视财经(《经济半小时》)刚刚过去的这个清明节,相信很多人又体会了一次高铁的魅力,小长假期间,每天奔跑在全国各条线路上的动车组多达5000列,您坐在高铁上,有没有想过,高铁为什么能跑这么快?这秘密藏在列车的下面,这是列车的变流器,相当于高铁的大脑,而这大脑的核心则是一枚小小的芯片,以前这样的芯片我们全部依赖进口,现在高铁也安上了中国芯。

一秒钟之内能开关十万次 高铁驱动全靠它

“长株潭城际铁路”,是湖南的第一条城际铁路,也是中国第一款时速160公里的城际动车组。这列车上的牵引电机,采用了最新一代技术,与普通高铁动车相比,加速能力更强,可以像地铁一样快起快停,而为列车提供强劲动力的,是中国自主研发的一个核心部件,人称“高铁中国芯”。

具有中国血统的IGBT芯片,正在湖南株洲进行生产。

IGBT,是实现能源变换与传输的核心器件,除了高铁,在智能电网、航空航天、电动汽车、新能源装备等领域应用极广。

然而这项技术诞生30多年来,一直被德国、日本等制造强国把控。三年前,中国自主研发取得突破。今天,中车的IGBT生产线,每年能制造12万支芯片。全世界,这样的生产线只有两条。

中车时代IGBT制造中心副主任罗海辉:我们现在所看到的这些芯片,他是分布在一个八英寸的这个上面,每一个指甲盖大小的一个小方块,就是一个芯片,你别看他面积很小啊,一个这样的芯片可以处理的能量,相当于100台电炉发出来的热量。

同样是芯片家族的成员,和处理信息或存储数据的芯片不同,IGBT的主要工作是控制和传输电能,指甲盖大小的芯片组成的IGBT可以处理6500W以上的超高电压,IGBT芯片工作时可以在短短1秒的时间内,实现10万次电流开关动作,从而驱动高铁飞速行驶。

罗海辉:我们有一个黑色的环,他是起到一个慢压阻断的作用,他可以阻断七千伏以上的电压,这就好比我们三峡大坝,要承受很大的水压,这样的话呢,对于黑环下面的设计以及材料,工艺要求都非常严格。我们为了突破这个设计,工艺和材料呢,我们前后实验了几百次,花了好几个月的时间,终于得到了突破。

被工程师称为黑环的部分是IGBT芯片的核心技术之一,每片晶圆的厚度只有50微米,相当于只有人体头发丝的一半左右,并且每个指甲盖大小的芯片都由5万个微米大小的元胞组成,其复杂程度可见一斑。

每只IGBT芯片的制造需要通过200多道工序,其中涉及半导体、机械、电子、计算机、材料和化工等多门复杂学科融合,目前在国际上能制造大功率IGBT芯片的企业也是少之又少。上至航空航天、武器制造,下至轨道交通和电力电网都离不开IGBT,谁掌握了IGBT制造应用技术,谁就占据了功率半导体技术的制高点。

3年前,当时核心的制造技术仅掌握在美国和德国等少数几个国家手中,价格完全由卖方说了算,一片IGBT的价格折合人民币一万五千块钱,而且只卖成品,这样的技术是用多少钱都无法买到的。

2008年,中国的第一条高铁京津城际铁路开通,随后又开通了更多的高铁线路,对IGBT的需求成倍增加,一个8列标准动车组就需要152IGBT芯片,光这个芯片的成本就高达将近两百万元,每年中国高铁制造需要向国外采购十万个以上IGBT模块,采购资金超过12亿元人民币。

就在这时候,中车时代机缘巧合收购了一家英国公司,这家公司的IGBT只是停留在实验室里的半成品,并且经营面临困难,已经无力进行后续的研发。并购了这家企业,30名工程师赶赴异国他乡开始了研发之路。这期间他们经过了无数次可靠性试验,每一款产品投放市场前,都要经过长达两三年时间的检测实验。比如让电流开通关断上百万次,零下40度到150度极端温度试验等等。

20146月,经过6年的不懈努力,由我国自主研制具有完全知识产权的8英寸IGBT芯片成功下线,预示着高铁拥有了第一颗“中国心”,第一片8英寸晶圆被中国科技馆永久收藏。不光如此,中车还在全球最大的轨道交通装备智能工厂,用智能线制造出了IGBT牵引变流器,各项指标完全合格,生产时间比原来缩短了70%

10年走完30年的路 中国芯开始领跑世界

不仅是高铁上用,我们的电网也要用到IGBT,据统计,中国在未来几年将成长为千亿级IGBT市场,极具吸引力,而这时国产IGBT芯片的成功量产意味着将从少数几家外国公司手中,抢走一块蛋糕。可这蛋糕要想吃到嘴里,比突破技术还要难。

中车时代电器半导体事业部总经理吴煜东:我们做这个产线的设计,在做投资回报周期的预测的时候,我们当时预测的价格是,开始我们进入这个市场以前的70%的价格,但是当我们真正产品投向市场的时候,价格却是原来的40%,所以这种压力对我们来讲是非常非常大的。

国产IGBT刚刚投产,吴煜东的团队已经准备好以低于市场30%的价格优势推出,与对手在国际舞台上角力。然而,产品价格刚刚公布,竞争对手就迅速降价,联合起来降价70%,吴煜东绝对没有想到,刚刚迈出第一步,就遭遇了惨烈的价格战!没等着他们反应过来,外国厂商又第二招撒手锏,推出第二代产品。这意味着我们刚刚学会走,人家已经跑起来了。

在这样的残酷背景下,中车时代的工程师没日没夜地工作,经常工作到晚上一两点钟。在历经9年零6个月,3000多个日日夜夜的奋战后,“中国芯”在技术上终于追平了对手,用不到10年的时间走完了国际巨头们30年的路,打破了发达国家一家独大的垄断局面。

2015年,由我国自主研发的IGBT变流器首次出口海外市场,夺得了印度100辆机车的订单。

短短3年时间,国产IGBT在功率器件的市场占有率从零一下攀升至60%,并且以每年200%的销售业绩增长,统一后的高铁标准动车组将全部采用IGBT“中国芯”。

中车时代电器半导体事业部总经理吴煜东:由于我们产能爆发式的增长,所以现在供应商对一些关键性的原材料的供应很不及时,甚至我前几天还给日本供应商打电话,如果他们不来及时给我们供料,我都要到日本去催货了。

这是中车株洲机电所刚成立不久的新型功率半导体器件国家重点实验室,他们要在这里研发更小功率更大更智能化的电力电子组件。就好比马拉松比赛,追赶上第一名后,中国开始领跑。

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来源:央视网

更新时间:2017年04月06日 23:06

视频简介:本期节目主要内容:IGBT即绝缘栅双极晶体管,是能源变换与传输的核心器件,俗称电力电子装置的“CPU”,在轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车与新能源装备等领域应用极广,但其技术和市场一直被国外垄断。仅用不到8年,中车时代电气走完了国外同行30年的道路,通过持续创新,形成了自己的技术特色,在高压IGBT芯片制造技术上实现了超越。(《经济半小时》 20170406 中国芯生存状态调查:高铁装上中国芯)

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