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摘取皇冠上的明珠 ——中国南车株洲所IGBT技术及产业化纪实

作者:刘亚鹏 来源:株洲新区 发布时间:2013年05月20日 浏览次数: 【字体:

    前言: IGBT,中文名全称绝缘栅双极晶体管,是自动控制和功率变换的关键部件,也是功率半导体器件第三次技术革命的代表性产品。它在轨道交通、航空航天、船舶驱动、智能电网、新能源装备等新兴产业具有不可替代的作用,尤其是在运营情况复杂多变、综合技术要求很高的轨道交通领域,它被称为牵引变流器的“CPU”。作为融合多种高科技于一身的集大成者,IGBT尤其是高电压高电流IGBT芯片技术一直被誉为现代机车车辆技术“皇冠上的明珠”。 

    2012年12月21日,“轨道交通用3300伏IGBT芯片研制及其应用”的科技成果鉴定会在长沙举行。包括中国工程院院士刘友梅、清华大学教授钱佩信、中国电器工业协会电力电子分会秘书长肖向锋等10余名国内轨道交通、电力电子行业的专家学者汇聚一堂,共同对此轨道交通用3300伏IGBT芯片进行鉴定。

    数小时的认真审核后,专家们一致认为,中国南车株洲所研制的3300伏高压IGBT芯片代表轨道交通用该电压等级IGBT器件技术的最高水平,填补了国内在该领域的空白,为我国建立IGBT芯片研制—模块封装测试—系统应用的完整产业链,实现重大民族装备自主掌握,突破了最关键节点,为我国高等级IGBT芯片技术比肩国际先进水平迈出了大一步。

    今年1月21日,南车株洲所大功率IGBT产业化建设工程主体混凝土封顶仪式在施工现场举行,这标志着该项目顺利完成了首个里程碑节点,保障了项目建设进度,为实现2013年底投入试生产的总目标打下了坚实基础。

    近十年来,摘取这颗“皇冠上的明珠”始终是国内轨道交通装备制造企业的孜孜以求的目标。中国南车株洲所依托在大功率电力电子器件领域多年积淀的成果,汇集最优质的资源,历经艰辛,矢志不渝,终于率先成功摘取了这颗“皇冠上的明珠”。

召唤 攻克国家难题的担当

 

    IGBT在机车车辆上到底有什么作用?

    俗话说,火车跑的快,全靠车头带,高速和重载是现代机车车辆装备发展的两个重要方向,要实现两者的关键是要给机车提供一个强大而持续发力的“心脏”,这个心脏就是牵引电传动系统,而牵引电传动系统的关键部件就是牵引变流器,它是机车功率转换的必备部件,要实现机车功率等级提高和操控的灵活自如,就离不开IGBT了。尽管一块IGBT模块只有巴掌大小,它却是驾驭一台庞大的机车的“命脉”。所以,业界也有把IGBT称为“机车之核”,足见其重要性。

    中国南车株洲所是我国轨道交通牵引电传动系统集成技术及产业的领军者,承袭50多年的深厚积淀和优势地位。中国南车株洲所先后主持开发了牵引电传动及其控制系统先后装备国内高速动车组、大功率交流传动电力机车、内燃机车和城市轨道车辆上,占据国内自主品牌近70%的市场份额,成为推动中国轨道交通关键部件装备的核心力量。

    然而早些年,一个尴尬的事实困扰所有的机车人——我国几乎所有的机车车辆用IGBT模块全部依赖国外进口,特别是在高等级的IGBT器件上,更没有中国人的一席之地,即使作为中国牵引电传动技术的领军企业,中国南车株洲所也依然每年花费数亿元从国外采购IGBT产品。能够自主设计制造中国人自己的IGBT芯片及模块是中国南株洲所矢志追寻的夙愿。 

    与此同时,伴随着中国轨道交通高速发展的步伐,国内轨道交通产业对于IGBT的需求猛增,据国际权威机构ISUPPLI测算 ,2011年,全球电力电子器件市场规模达到200亿美元,2015年将达到245亿美元,未来,全球包括IGBT在内的电力电子市场规模将保持5%以上增长率。就国内轨道交通市场而言,预计未来十年中国轨道交通牵引市场每年对3300伏等级的IGBT模块需求量就达到为10到20万只/年,市场前景非常可观。

    那么,为什么IGBT器件技术这么难呢?

    IGBT器件技术分为IGBT芯片技术、模块封装技术及应用测试技术三大块。可想而知,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,一块成人巴掌大小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”,他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”。业界认为,谁掌握了该项技术,谁就打开了通往IGBT系统集成技术的“阿里巴巴之门。” 

    早在2007年,国家相关部委联合下发了《当前优先发展的高技术产业化重点领域指南》,指南中就明确指出,要重点鼓励发展IGBT项目,并将IGBT器件技术作为我国重大专项课题,曾投入百亿元之巨,集中进行研发,但因为种种原因,进展缓慢,成效不大,据业内专家分析统计,中国当前的功率半导体器件技术水平至少比国外落后15年以上。

    2009年6月,国务院总理温家宝在视察中国南车株洲所时,曾殷切寄语,机车车辆很多核心技术不是有钱就能买到的,你们的担子很重,一定要抓住轨道交通大发展的大好机遇,上规模、上水平,勇克IGBT等国家技术难题,早日达到世界领先地位,希望寄托在你们身上!

    市场的需求、现实的尴尬、总理的寄托,催生中国南车株洲所打响一场“IGBT项目攻坚战 。”

    “在国产化IGBT芯片及模块的自主创新过程中,中国南车作为国有大型骨干企业要主动承担起重任,发挥创新主体主力军作用,在公司既有技术和产业化经验的基础上,中国南车株洲所要整合国内外的资源和力量,通过产学研结合,把创新主体的作用发挥到位,走中国特色的自主创新道路,早日摘取这颗‘皇冠上的明珠’!”中国工程院院士、公司执行董事、总经理丁荣军掷地有声。

勇气  让历史照亮发展前程

    中国南车株洲所追逐“明珠”的脚步可以追溯到上个世纪六十年代初,在建所初期就已起步。 

    二十世纪六十年代初,中国南车株洲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,我们用20年的时间走过了国外大约50年走过的路。中国南车株洲所依靠自己的力量,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”。在这个过程中积累了宝贵的经验,培养了我国最早的半导体器件研发队伍。

    改革开放以后,中国南车株洲所利用铁道部引进8K电力机车的机遇,从美国西屋公司引进一条3英寸大功率半导体生产线,正是这条配置不全、夹杂许多国产及自制设备的“半条生产线”,在中国南车株洲所创造性地将原有工序拆分、使每条工序更加精细,成为当时国内引进的12条半导体生产线中最成功的一条。

    随着研发的不断深入,中国南车株洲所消化吸收当时世界上先进的全套半导体烧结工艺,中国南车株洲所逐步追赶世界先进水平,先后自主开发了全压接技术和GTO器件技术,代表当时国际自动关断器件的最高水平。 

    2004年,成功研制5英寸系列普通晶闸管和整流管,成功应用到高压直流输电领域;

    2005年,自主研发4000安/4500伏IGCT器件,使我国成为世界上第三个掌握该项技术的国家。

    2006年,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,极大地增加了中国南车株洲所冲刺更高技术台阶的信心!

    通过自主开发和引进吸收相结合,中国南车株洲所功率半导体技术从合金法发展到扩散法,从烧结型器件发展到全压型器件,产品品种从单一型整流管发展到集整流管、晶闸管、快速整流管、快速晶闸管、GTO、IGCT等多个功率等级于一体的功率半导体器件的研制基地,为中国南车株洲所在IGBT器件技术的崛起树立了宝贵的信心和勇气。

    由此可见,中国南车株洲敢于角逐摘取“皇冠明珠”的勇气源于半个多世纪的准备和深厚积淀。

破题  基于产业链提升的并购

    改革永无止境,发展永无停滞。

    虽然,中国南车株洲所掌握了双极器件技术,但对技术更为先进IGBT芯片及模块设计、制造技术还是空白。这直接影响到了公司以牵引变流为核心的产业结构的完整性。

    在中国南车株洲所产业化的进程中,始终深藏着一个“IGBT”梦。

    IGBT何以如此重要?参加此次鉴定会的肖向锋给出了答案:作为当今最符合节能与环保的电力电子产品,其应用范围之广泛、市场前景之广阔, IGBT无疑是企业家、投资者最理想的节能产品,谁掌握了IGBT器件技术,谁就掌握了功率半导体器件市场的话语权。

    IGBT是由双极型三极管和绝缘栅型场效应管组成的复合全控型电压驱动式器件,具有驱动容易、控制简单、开关频率高、导通电压低、通态电流大、损耗小等特点。它付出较小的功率就能控制高电压和大电流,并且能够根据实际需求进行变化,采用IGBT进行功率变换,能够提高用电效率和质量,节能效果十分明显,在家电领域,可比普通的变频家电节电30%,在轨道交通、智能电网、航空航天、船舶驱动、新能源装备等行业采用IGBT的大型功率变流装置,节电和节能效果也十分明显。

    由于我国IGBT器件技术及产业化发展较晚,加之技术门槛难度高、投入大,目前中国市场的IGBT产品基本依赖进口,不仅如此,在技术和市场都被垄断的情况下,国外器件的采购均是“长周期、高价格”。例如一个IGBT器件部件价格高达数万元,它的采购周期长达数月甚至半年以上,长此以往,必将影响我国电力电子产业的持续健康快速发展,更是严重阻碍我国战略性新兴产业的长远发展,特别是在轨道交通牵引装备、柔性直流输电等基础产业领域。

    如何尽快突破IGBT芯片技术,率先打造一条从IGBT芯片研制—模块封装—系统应用测试的完整IGBT产业链,成为我国政府及产业界的共同诉求,基于现在良好的政策平台和市场前景,以及自身雄厚的技术基础和人才实力,中国南车株洲所要敢为人先,抓住机会,率先获取IGBT全套技术。

    而要想在短短的几年时间,自主研发并掌握这一高端技术是几乎难以做到的,如果采取完全独立自主研发的方向,则需要耗费大量的时间、成本和资源,而且技术、能力和结果都不一定得到保障。

    2008年10月31日,一个对于中国功率半导体产业来说具有重大意义的日子,中国南车株洲所下属的株洲南车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。

    丹尼克斯半导体公司是世界知名的半导体公司,也是全球最早开发IGBT技术的厂家,在收购完成当日,丁荣军不无感概地说:“通过收购,中国南车株洲所具备了大功率高压晶闸管、IGCT和IGBT等半导体产品的完整产品结构,可以为国内外电力电子装置企业提供功率半导体器件的全套解决方案。”

    “采用资本运作的手段,改变了我国IGBT技术及产业长期受制于人的局面”,对于此项并购,投资者、行业专家给予了高度评价。

蝶变  快速嫁接的几何级效应

    对于中国南车株洲所来说,并购丹尼克斯半导体公司只是万里长征的第一步。

    在实施跨国产业并购后,如何发挥双方优势,做到既不损害小股东利益,又有步骤地实施技术嫁接、提升并实现产品自主化,创建中国自主的IGBT民族品牌,是摆在中国南车株洲所前面的一道战略重任。

    为此,中国南车株洲所采取了“两翼齐飞”战略。

    丹尼克斯半导体公司尽管是世界最早进行IGBT技术研发的厂家,但由于多种原因,特别是资金投入不足,没有形成很大的产业规模、发展较为缓慢,为了使其尽快走上良性发展的道路有必要对其进行“输血”,为此,中国南车株洲所投入巨资,对其厂房、发展平台进行改造,重头戏之一就是将其原有的4英寸IGBT芯片进行升级改造成为6英寸IGBT芯片生产线,实现了技术和工艺的全面升级,使之重新走上快速健康发展的道路。

    借助丹尼克斯半导体公司在欧洲的“桥头堡”作用,2010年5月,中国南车株洲所在英国林肯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。该中心汇聚了来自全球半导体行业的近40名顶尖的中外高级专家,投入精力集中开发新一代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,两年多来,成果显著,成功开发了多个电压等级的IGBT芯片和模块产品。

    欧洲是世界功率半导体的中心,拥有包括英飞凌、ABB等中国业界标杆性企业,如何利用欧洲良好的人才、技术环境,及时与业界分享最新信息、与企业和欧洲高等院校进行学术交流、人才培养和技术合作。该中心中方专家广泛交流、充分吸收,极大地拓宽了眼界和知识面。

    研发中心成为中国南车株洲所对外技术交流的前沿窗口和桥梁,成为中国南车株洲所吸聚和整合全球技术资源的重要平台。

    与此同时,中国南车株洲所在国内加快开始了IGBT产业化的进程。

    2009年,中国南车株洲所在国内建成第一条工艺能力完整的IGBT模块封装线,该生产线定位于技术要求最高的轨道交通用高压IGBT的封装,年产能超过6万只IGBT模块。

    为了获得更多的市场数据,中国南车株洲所成功在国内50多辆城市轨道车辆、大功率交流传动电力机车上对国产IGBT模块实现装车运营,通过数十万公里的前期试验、器件技术参数优化、变流器参数匹配等严格考核,其表现与同功率等级国外产品处于同等水平。

    中国南车株洲所还积极获取国家的政策和项目支持,积极参与国家重大项目,承担了国家“极大规模集成电路制造装备及成套工艺” 重大专项中的“高速机车高压芯片封装机模块技术研发及产业化”项目,参与了“6500伏新型高压芯片工业开发及产业化”项目。通过持续的深入研究,中国南车株洲所IGBT器件技术整体已经跃上新的台阶。

    2011年5月,中国南车株洲所再次发力,一次性投入14亿元,建设国内第一条8英寸的IGBT芯片生产基地,基地设计年生产12万片8英寸IGBT芯片和100万只IGBT模块,成为国内惟一一家全面掌握IGBT芯片技术研发、模块封装测试和系统应用的企业。

    此外,中国南车株洲所还致力于推动产学研结合,与中国科学院微电子技术研究所共同组建新型电力电子器件联合研发中心,开展以碳化硅(SIC)为基础材料的新型IGBT技术研发,以期掌握未来竞争中的主动权,在两个单位的共同努力下,成功研制出SiC IGBT芯片样品,构建了SiC IGBT的封装模型,为未来的可持续发展提供强劲动力。


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