高铁突围：关键零部件国产化任重道远
工业“核芯”IGBT如何“弯道超车”
IGBT，绝缘栅双极型晶体管，这个工业控制领域的核心电子元器件外界知之甚少，也不属于工信部“三基”产业规划的机械基础件之列，但无论是轨道交通还是电动汽车，乃至智能电网、新能源发电均离不开它。就是这块巴掌大的芯片，曾扼住我国大功率牵引变流技术的“咽喉”达十余年之久。
如果说以变流器为中心的牵引系统，是为电力机车提供动力的“心脏”，IGBT则是“心脏”的“核芯”。牵引变流器正是通过IGBT器件，实现电流直转交的变换和控制，使外部输送的高压电得以为列车所用。
由于电子工业基础薄弱、技术门槛高等原因，我国大功率IGBT器件一度开发滞后，相关技术长期被ABB、英飞凌、三菱等国外公司控制，轨道交通用IGBT曾一度全部依赖进口。
为突破国外长期封锁的局面，在南车株洲电力机车研究所(以下简称株洲所)所长丁荣军院士带领下，我国轨道交通装备行业率先瞄准了这块硬骨头。
“生产IGBT器件技术难度高，需攻克芯片、封装、测试、驱动控制等一系列技术和工艺。”株洲所总工程师冯江华告诉记者，“就拿芯片工艺来说吧，IGBT芯片的元胞尺寸小、分辨率要求高，同时数以万计的元胞要性能一致并同步开关控制，要求必须具备很强的工艺控制能力。”
7年前，株洲所承担起国家“863”项目“7.5MVA IGBT变流器系统研制”，成功研制出当时国内最大功率等级的变流器，并成功应用。2007年，株洲所率先启动国家“高压IGBT元件研制”项目，并成立中国轨道交通领域的第一家微电子实验室，开发大功率IGBT技术，为后续自主创新奠定了基础。
2008年，株洲所跨出国门，收购英国知名半导体公司丹尼克斯公司，在国际业界引起极大震动，使我国成功跻身世界大功率IGBT器件技术一流梯队。
有了上述基础，株洲所迅速加快IGBT技术研发。2010年在英国成立功率半导体海外研发中心，联合国内研发机构组建起全球研发团队，专注新一代IGBT芯片技术的开发与应用,终使我国结束了国外长期垄断这一高技术的历史。
2012年12月，株洲所自主研制的“轨道交通用3300伏电压等级IGBT芯片”通过了湖南省科技厅组织的科技成果鉴定。专家组一致认为，该芯片代表了轨道交通用高电压等级IGBT器件技术的最高水平，填补了国内在该领域的空白，为我国建立起从芯片研制、模块封装测试到系统应用的完整产业链，突破了最关键的节点。国产列车的“心脏”，终于有了自己的“核芯”。
掌握核心技术是第一步，推动产业化运营则更为关键。2009年，中国南车在株洲建立国内第一条小批量大功率IGBT模块封装线，开始生产能满足轨道交通牵引应用要求的大功率IGBT。2011年，中国南车进一步加大大功率IGBT产业化力度，在株洲所启动了我国首条8英寸IGBT芯片生产线项目。
“投产后的IGBT模块，陆续在国内200余辆城市轨道车辆、大功率电力机车上实现装车、考核和应用，其表现与同功率等级国外产品处于同等水平。”冯江华说。
2013年10月，从株洲所传来最新消息，该所大功率IGBT产销突破6万只。至此，我国不仅完全掌握该技术，而且成功实现产业化，开始大批量国产装车。不仅满足了轨道交通装备对大功率电子元器件的需求，更使我国众多战略性新兴产业发展态势为之一振。
为掌握未来竞争中的主动权，如今株洲所又与中科院微电子所强强联合，共同组建新型电力电子器件联合研发中心，开展以碳化硅为基材的新型IGBT技术研发。截至目前，新型碳化硅IGBT的芯片样品和封装模型均已研制成功。
下一轮创新之路如何走?
“我们已掌握齿轮传动装置、基础制动装置、IGBT等大部分核心零部件关键技术，不过基础材料、制造工艺还未取得实质性突破。”中国南车副总裁王军向记者坦言。此外，“一些零部件在样件试制时往往没问题，但在批量化生产和产业化过程中，产品质量就会发生变化，性能不稳定”。
诚然，面对着数十年的整体差距，转变并非一蹴而就。如果材料科学的基础研究成果一天得不到转化，制造行业的工艺水准一天得不到提升，零部件产品的性能质量一天得不到有效控制，“三基”产业就仍将“滞后”于高端装备的发展。唯有进一步深化科技创新体制，共同扭转产业链整体格局。
2012年8月10日，就在中国工程院与国资委达成央企技术创新战略合作不到一个月后，中国工程院与中国南车在湖南签署院企合作协议，开启了我国国家工程科技思想库与轨道交通装备领军企业的历史性合作。
在这次签署仪式上，时任中国南车董事长的赵小刚公开表示，未来中国本土科技型企业的自主创新模式将发生重大变化，引进消化吸收再创新的模式将退居末位，集成创新将成主流，原始创新的比重将大幅提升。
随后，来自国内知名高校、科研院所的院士专家团队陆续加入，与中国南车合力攻坚。在轨道交通装备行业，一个更开放的产学研合作局面正在形成。
与此同时，中国南车也加紧了自身的研发体系部署。
2013年4月16日，中国南车中央研究院在京成立，王军出任院长。新成立的中央研究院负责联系和管理集团已有的技术专家委员会、技术标准化委员会、焊接技术委员会、无损检测技术委员会及材料与工艺研究中心，加上旗下子公司已建成的4个国家级研发机构、7个国家级企业技术中心、10个省级研发机构和8个省级企业技术中心，一个覆盖全集团的新研发体制初现雏形。
“要提升轨道交通装备产业‘三基’水平，需国家、行业、企业的共同努力。”王军在常州“三基”论坛上最后表示。他建议，瞄准“三基”领域共性技术，以企业为主体建设国家级技术创新平台，将轨道交通装备领域具备条件的研究项目列入国家重大科技计划，并考虑优先立项。“不仅装备制造业应率先加强“三基”研究，客户也应对国产装备的试验考核和装车运行提供优先支持，以共同提高轨道交通基础配套产业的国产化率。”
结语
在高速、重载时代伊始，曾领衔研制国产准高速列车“中华之星”的南车株机专家委员会主任刘友梅院士，现在已将重点瞄准了下一代绿色列车。
2012年8月，由刘友梅主持研制的世界首列储能式轻轨样车在株洲下线，这种采用超级电容作为主动力、全程不依赖电网、可实现能量回收和循环利用的新型列车，甫一亮相便引起了世界各国的关注，被认为有望开启轨道交通的绿色时代。目前，该型列车已完成工程化试制和产业化准备，最快将于明年在广州投入商业运营。
值得注意的是，超级电容作为储能式列车的核心零部件，一开始就全部依靠我国自主研发。2013年9月，7500法拉的世界最大功率超级电容单体在中国南车实现批量生产，首批超级电容产品交付完成。
这再次说明，谁掌握了基础，谁就赢在了起点。
中国南车动车组制造车间
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