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【大道向前·跃上新高地】奔跑的“中国芯”

发布时间: 2022-09-05 00:29:29 来源:世界杯竞彩 作者:世界杯app下载

  一种专业学名为“绝缘栅双极型晶体管”的“超级厉害”电子元器件,可在1秒钟完成10万次复杂电压、电...

  一种专业学名为“绝缘栅双极型晶体管”的“超级厉害”电子元器件,可在1秒钟完成10万次复杂电压、电流的控制、变换,让电流按照应用需求精准提供动力。作为当今世界能源变换与传输的核心器件,这种叫“IGBT”的芯片被视为高铁“心脏”,由它转换电能驱动高铁飞驰。2014年,我国自主研制的8英寸IGBT芯片,在中车时代电气股份有限公司下线。此后,这一“中国芯”广泛应用于轨道交通、智能电网、电动汽车、新能源装备等领域。

  从1881年第一列蒸汽机车在“唐胥铁路”上发出,到1959年中国第一台液力传动内燃机车试制成功,再到上世纪90年代电力机车投入使用,每一次动力系统革新都带来火车速度的飞跃。2009年12月,时速350公里的武广高铁运营,我国疾驰进入全新“高铁时代”。

  10多年来,我国建成了世界上规模最大的高铁网络,500多座城市、数以亿计的人口因此紧密相连。如今,全国高铁线万公里,每天奔跑在各条线列。

  中国高铁飞速发展,有高铁“心脏”之称的IGBT核心器件至关重要。而生产中国高铁“中国芯”的,是位于湖南株洲的中车时代电气股份有限公司(以下简称“时代电气”)。

  6月12日上午9时12分,G6119次“和谐号”从张家界西驶出,时速从0到350公里,只用了不到5分钟。因工作常往返于湘西南各地的邱帅,现在出行首选张吉怀高铁:“张家界到怀化从4小时缩短到1个多小时,吉首到怀化从2个多小时缩短到半小时。”

  张吉怀高铁被称为“云端高铁”,线路基本建在大山、悬崖、深谷,平地线%,但高铁行驶速度和稳度丝毫不打折扣。

  高铁运行中,要在短时间将时速从0提升到300公里以上,反之,也需要在极短的时间内将正在高速运行的列车平稳停下来。这看似简单地加速、减速过程,相关传动设备、牵引变流器以及其他电动设备,要在短暂的时间内完成一系列复杂的高难度动作,这需要确保各种设备所需的电流、电压极为精准、可靠。

  (5月17日,坐落在株洲市石峰区的中车时代电气股份有限公司,厂区环境优美,绿树如荫。 华声在线全媒体记者 田超 摄)

  在当前技术条件下,只有大功率IGBT芯片才能反复实现这样苛刻的电流控制。

  在时代电气,记者一睹IGBT芯片线厘米的圆形薄片里,排列着上百个指甲大小的芯片。

  这小小的东西有什么特殊?隔着厚厚的玻璃,看着硅片上闪闪发亮的芯片,记者感觉不出它的神奇。

  “别看这东西样子不大,但内部结构很复杂!”时代电气研发负责人罗海辉比划着说,从结构上来讲,在这样一个指甲盖大小、半根头发丝厚的小小芯片里面,并联摆放着6万个被称作“元胞”的基本单元,只有在高倍显微镜下,才可以一睹芯片内的“庐山真面目”;从功能上来说,这种芯片,能够在1秒钟完成10万次开关动作,实现电流快速转化。

  通俗地说,通过IGBT芯片的作用,可以对复杂、敏感的电压或电流实现灵活控制。如果我们把无形的“电”视为有形的水,电流即水流、电压即水压。人们可以通过控制闸门的开启和关闭,达到改变水的流向和大小的目的;同样,IGBT在电力装置中就像一道闸门,通过它可以控制流经各种电力设备中的电能,使电能利用更加合理、高效。

  进入IGBT芯片生产车间前,罗海辉首先换上消毒内衣,然后穿上全密封一体化操作服、防尘鞋、消毒口罩,再戴上全密封手套二次消毒……

  “芯片生产区域对洁净度的要求太高了。”罗海辉解释说,研发、制造出性能优越且具有高可靠性的IGBT,要突破诸多设计、工艺等难点。

  IGBT芯片中的“元胞”,仅头发丝十分之一大小,要将6万个这样的“元胞”,高度均匀地安置在一个指甲盖大小的芯片上,“元胞”的均匀度,决定芯片功效的高低,“这远胜于在头发丝上雕花”。

  IGBT芯片的制造,是一个物理作用与化学作用完美结合的过程。前后共有200多道大大小小的工艺步骤,每个工艺步骤必须精准到位,每项技术火候都必须拿捏得当,一个喷嚏的震动、一粒微尘的遮盖,都可能导致制作偏差,导致整批芯片报废。

  中国工程院院士、中车首席科学家丁荣军记得,过去IGBT技术被少数工业强国垄断,外国企业掌握定价权,一个模块售价过万元,且只卖成品;转让合同文件还明确注明,传动和控制电驱动系统的IGBT技术不能转让。他说,这个技术是国家工业竞争力的重要体现,用钱也买不来。

  时代电气智慧地选择了一条“捷径”——实施“收购-整合-创新”战略,通过全球性战略布局,吸纳国际优势研发资源,对IGBT技术进行自主攻关。

  从实验室到量产,工程师团队又一连数月开启“24小时运转”模式,对温度、气流、工艺时间等成百上千个参数一遍遍验证、分析、微调、验证……直至找到最优解。

  在攻克30多项关键核心技术后,时代电气拥有了从芯片设计、封装测试、可靠性试验、系统应用等全流程、完整的技术和工艺体系,具备了大规模产业化条件。

  2014年6月,由我国自主研制、具有完全知识产权的8英寸IGBT芯片在时代电气成功下线,中国高铁从此迎来了“中国芯”。

  5月25日,粤港澳大湾区直流背靠背电网工程正式投产,成为世界首个异同步背靠背工程。通过柔性直流技术,将粤港澳大湾区原本连成一片的大电网分解为多个不同步的小区域电网,既能分区运行,防止大面积停电事故;又能相互支援,更大规模确保各区域电网协调互动。

  电网运行一个重要的前提是安全,但电力来源比较复杂,除了常规的水电、火电外,风电、太阳能光伏发电以及个性化、分布式能源,越来越多地并入电网。正因为电力来源的多样化,给电网安全、平稳运行带来严峻挑战。特别是时有时无、时高时低的风电,对电网安全运行的考验最为突出。要将这些来源复杂、大小不均的“粗电”,转化为均匀、平稳、安全的“精电”,需要IGBT这种半导体装置发挥调节功能,且IGBT装置的功率越大,其能承受的电压区间就越广,调控能力就越强,电网安全性能就越高。

  新能源应用领域,IGBT同样大放异彩。在南海明珠——海南岛,公交巴士来往频繁,却不见尾气排放。原来,岛上行驶的多是混合动力巴士,使用汽车级IGBT模块,让混合动力巴士节电20%,更易于市场推广。

  (中车时代电气股份有限公司生产的IGBT芯片产品。在一片片直径20厘米的圆形薄片里,排列着上百个指甲盖大小的芯片。华声在线全媒体记者 田超 摄)

  除了这些“高大上”的装备,日常生活中,IGBT也不可少。比如说,我们使用的变频空调,就是利用IGBT装置对电能进行优化控制,使空调能更加智能、人性化地运行,还可节省30%左右的电能。冰箱、洗衣机、电磁炉等设备中,同样有IGBT的用武之地。

  “从首批产品下线代IGBT芯片。”罗海辉告诉记者,“升级”是自觉的,也是被迫的。

  2014年“中国芯”刚刚投产,国外竞争对手就联合起来实施大幅降价,打起惨烈价格战,同时宣布向市场投放新一代IGBT产品。

  “我们才刚刚学会走,人家已经跑起来了。”时代电气高级工程师刘国友感慨,这种核心技术竞争,一旦开始,就必须尽全力争先,否则只能被甩,“所有工程师都被使命感所驱动。”

  经历9年零6个月、3000多个日日夜夜奋战,“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。

  技术更迭,在时代电气从未停止。体积更小、功率更大、更智能化的“中国芯”不断推出。“早已经没有标杆可以学习,完全要靠自己原始创新。”

  2021年,第七代IGBT技术问世,完全打破原有技术路线制约,利用芯片、子模组、模块的协同创新,攻克了压力均衡与芯片数量难以协调的世界性难题,使产品性能表现达到国际领先水平。

  我是个“微电子”专业的理工男,简单来说,成为芯片研发工程师,于我而言是“专业对口”。

  (5月17日,中车时代电气股份有限公司陈列室,来宾在参观芯片产品。华声在线全媒体记者 田超 摄)

  很多人以为,芯片就是电脑或手机里那颗CPU。实际上,当今世界无处不用芯片,高铁、电动车靠芯片驱动,电网电流用芯片传输,工业生产以芯片控制,如今在所有公众场所几乎能看到的热成像仪也凭芯片感知温度。

  中国作为全球经济发展最快地区之一,芯片需求一直居高不下,吸引着全球产业向我国集中。我在工作中认识的一位欧洲商人就曾在聊天中提起,美国的芯片、欧洲的半导体原材料和设备能销售到哪?只能去中国。

  可是,庞大的市场不等于掌握了命脉。上大学那会,当驱动高铁的IGBT芯片还是我国“卡脖子”难题时,全世界的IGBT企业都在坐地起价。

  科技封锁与芯片断供从来不遥远,只要有利益之争,我们随时都能在晶体管里闻到硝烟的味道。

  虽然从事芯片研发行业后,我不得不承认这项工作真的很枯燥——工作环境必须保持刻板严苛,用显微镜盯着研究对象常常眼睛发痛,芯片生产时间往往以月为单位计算、纠错时间更加漫长……但我确定自己将坚持下去,因为,用中国心,造“中国芯”,我对此充满了使命感。

  电影《长津湖》有个片段,伍千里对弟弟伍万里说:一个蛋从外面被啄开,注定会被吃掉。你要是能从里面自己啄开,很可能是只鹰。