我的中国,我国首块八英寸IGBT芯片在湘下线

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摘要:我国大功率电力电子技术研制取得重大突破 我国首块八英寸IGBT芯片在湘下线 中国南车株洲所 国内最高性能IGBT芯片及模块问世 6月26日上午11时05分,两列“复兴号”从京沪两地同时对开
我国大功率电力电子技术研制取得重大突破
我国首块八英寸IGBT芯片在湘下线

中国南车株洲所 国内最高性能IGBT芯片及模块问世

6月26日上午11时05分,两列“复兴号”从京沪两地同时对开首发。这是中国标准动车组的正式亮相。中国标准少不了“中国芯”——大功率IGBT(绝缘栅双极型晶体管)技术。正是它悄然把控着机车的自动控制和功率变换。

中国南车:让世界尖端列车植入中国“芯”

2012/04/23 09:25来源:科技日报

坚定不移谋创新主体

3月10日,土耳其伊兹密尔市一号线的BONOVA站,一列轻轨列车正式上线运行。

3月15日,我国首批出口澳大利亚SDA1型交流传动内燃机车完成交付试验,完成了运行距离1800km、牵引重量8000t的铁矿石运输任务。强大的牵引性能、卓越的控制功能及稳定可靠的运用得到澳大利亚方面的高度赞誉。

这些出口欧洲、澳洲的列车,其牵引传动系统、网络控制系统等关键部件均出自中国南车旗下的南车株洲电力机车研究所有限公司(以下简称“中国南车株洲所”),而被欧洲轻轨列车采用尚属首次。

牵引传动和网络控制是两大标志性技术,具有牵引功率大、速度高、节能环保、运营经济等优点,是现代机车车辆(含机车、动车组、城市轨道机车车辆)的“心脏”和“大脑”,被誉为“机车之芯”,是一个国家轨道交通装备水平高低的重要标志之一,也是重载和高速牵引的基础。这一“机车之芯”于上世纪八九十年代开始装备在机车车辆上,并仅为西门子、阿尔斯通、庞巴迪和日本等少数公司和国家所掌握,至今仍被各国视为高度保密的核心技术。

作为中国牵引电传动领域的翘楚,通过引进消化吸收再创新,中国南车株洲所历经三代科技专家的努力,终于研制出国产“机车之芯”,掌握了世界轨道交通领域尖端技术。

3年发明出全新技术模式

配合中国铁路客运“高速”和货运“重载”的发展方向,中国南车株洲所自2003年开始,瞄准国际一流水平,着力提升机车牵引电传动系统核心技术。

在中国工程院院士、所长丁荣军的带领下,中国南车株洲所科技创新团队结合欧美、日本两种技术流派的长处,主攻电路研究,仅用3年时间便创造性的发明了以两点式和异步电机为主、兼有三点式和同步电机的全新技术模式。

从大系统到大部件、从关键材料和关键工艺、从核心硬件和核心软件上向该技术发起了全面的攻关,中国南车株洲所先后开发了18种不同型号变流器产品、11种控制模块、2种型号新型电力电子器件,通过对传统电传动技术与高端电力电子、信息化软件技术的嫁接,中国南车株洲所,这个老牌的中国电力机车牵引电传动系统集成技术与网络控制技术的佼佼者,再次确定了国内领先地位,形成了独有的技术创新体系和创新能力。

春华秋实。先进的牵引电传动系统和网络控制系统迅速占据国产高速动车组70%以上份额。

动车组变流器单列功率最大

2008年,随着中国铁路技术的不断进步,以时速300公里为代表的高铁技术和以更高功率等级为标志的重载机车技术成为新时期我国铁路机车自主创新的新方向,中国南车株洲所又发起向世界顶端机车牵引电传动技术冲刺的步伐。经过6个月夜以继日的苦攻,具有完全自主知识产权的7200kW大功率电力机车交流传动电气系统终于研制成功,并很快成为世界领先的主型电力机车的定型系统,打破了国外新型交流传动大功率机车几乎独占中国市场的局面。其间,国家组织了新一轮的自主高铁技术的研究。在九大核心技术中,中国南车株洲所主持其中时速300公里以上等级动车组电传动及控制系统等3项关键技术的研发(牵引变流器、牵引控制和列车网络控制系统技术),成功解决了困扰高速动车组“变流器功率大、体积小、重量轻”等技术难题,使变流器的功率密度大幅提高了30%,研制出当前世界单列功率最大的动车组变流器。

目前,装有中国南车株洲所自主交流传动系统的近1000台7200kW电力机车已成为我国货运机车的主力,累计销售合同超过40多亿元,更为重要的是,该项目技术的成功研制,迫使国外公司大幅降价,对比自主系统进入市场前后国外同类产品价格,仅此类型机车已为国家节约重大装备投资资金超过20亿元。

成功自主掌握IGBT应用技术

在史无前例的“机芯”技术攻关中,IGBT应用技术的成功自主掌握,无疑是最大的亮点。

IGBT,中文名称绝缘栅双极晶体管,英文全称Insulated Gate Bipolar Transistor,它在轨道交通牵引变流器中起着关键作用,如果牵引变流器被称为“机车之芯”,而作为牵引变流器的核心元件,IGBT被称为“机车之核”。不仅如此,IGBT几乎还涉及到关于国计民生的各个领域,是节能和低碳经济的主要支撑技术之一。

2008年,中国南车株洲所并购了世界著名的半导体公司——丹尼克斯公司,并于2010年在国内建成第一条高压IGBT封装线的建设。该IGBT封装线是在中国南车位于英国的半导体基地的高压IGBT模块技术的基础上,通过吸收国际IGBT模块的最新技术成果、采用先进的工艺设备建设而成,是一条有竞争力、能满足轨道交通牵引应用要求的大功率IGBT模块生产线,具备大功率IGBT模块封装与测试能力。封装线设计产能为每年6万只大功率IGBT模块。所生产的模块主要用来满足中国轨道交通市场的需求,同时兼顾电动汽车、风力发电、工业传动,智能电网等领域。

2010年5月,中国南车在英国丹尼克斯公司成立功率半导体研发中心,共同研发新一代IGBT技术。内容包括了标准的用于轨道交通的焊接式IGBT模块及全新的用于智能电网的压接式IGBT模块,电压等级最高位。项目由双方500千伏,为国内目前最高。

2011年5月25日,中国南车株洲所大功率IGBT产业化基地奠基,标志着我国首条8英寸IGBT芯片生产线项目正式启动。项目设计年产8英寸芯片12万片、IGBT模块100万只,中国南车株洲所成为国内唯一掌握IGBT芯片设计—芯片制造—模块封装—系统应用完整产业链企业,填补了国内相关技术领域的空白,目前,该项目正有序推进。

仅用4年左右的时间,中国南车株洲所“机芯”技术的科研设计、生产制造和检验实验有了飞跃性的发展。作为一家科技先导的高科技企业集团,“科技创新”早也成为牵引中国南车株洲所不断发展的一股强大动力引擎,公司销售收入平均增长率连续6年保持在40%以上。

  • 关键词:
  • 中国南车 轻轨列车 内燃机车
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本报讯(记者成舸 通讯员刘亚鹏)6月20日,我国电力电子行业迎来一个具有里程碑意义的时刻。当天上午,在来自电力、交通等领域的多位院士专家见证下,中国南车宣布由其自主设计建造的国内首条、世界第二条8英寸IGBT专业芯片生产线在湖南株洲全面建成并即将投产;同时,一块编号为00001的IGBT芯片被中国科技馆永久收藏。这标志着我国大功率电力电子技术的研制和产业化取得重大突破,打破国外垄断,跻身世界一流行列。

本报讯(记者成舸 通讯员刘亚鹏、曹婷)近日,由中国南车株洲所主持研制的国内最大电压等级、最高功率密度的6500伏高压IGBT芯片及其模块首次向外界亮相,并通过成果鉴定,刷新了1年前该公司自主研制的3300伏IGBT芯片电压等级和功率密度纪录。鉴定专家一致认为,该项目成果总体技术处于国际领先水平,代表了我国功率半导体器件行业IGBT技术的最高水平,具有重大战略意义。

这项被誉为“皇冠上的明珠”的现代机车车辆技术,被德国、日本等国把控了30年。如今,由中车株洲电力机车研究所有限公司(以下简称“中车株洲所”)研发突破,实现了自主国产化。

中国工程院院士丁荣军介绍,IGBT芯片技术从6英寸发展到8英寸不仅是量上的变化,更是“质”的飞跃,其突破了新颖的元胞与保护环设计、高能质子掺杂、芯片铜金属化工艺等关键技术,使芯片负载提高了50%,材料成本下降了20%,并改变了原有芯片生产模式。

IGBT中文名为“绝缘栅双极型晶体管”,主要用于交直流转换和控制,是电力电子行业的核心零部件。从传统电力、机械、矿冶到轨道交通、柔性直流输电、新能源装备和航空航天等领域,高压高功率密度IGBT均有着广泛应用,被誉为现代功率变流装置的“心脏”和绿色高端产业的“核芯”,但此前相关技术被国外企业垄断。

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由中国南车株洲所研制的这枚IGBT芯片,切面为圆形,布满128个小芯片,每块小芯片只有指甲盖大小,厚度仅两根头发丝,其内部包含了6万个以上被称为“元胞”的基本单元,可在数千伏高压下、约1秒时间内实现数万次电流开关动作,将风能、太阳能等不稳定的能源输入转换为稳定的电流输出。

该项目负责人、中国南车株洲所IGBT事业部总经理刘国友介绍说,该公司先后投入20多亿元,组织了近百位专家开展攻关,从IBGT芯片设计、封装测试、可靠性试验到系统应用,攻克了30多项难题,现在不仅掌握该器件的成套技术,形成了规模化、专业化生产的完整工艺体系,还在轨道交通、柔性直流输电及矿冶等领域得到批量应用。项目目前已申报专利20项,获授权4项。

中车株洲所技术人员正在操作。胡小亮/摄

IGBT,全称绝缘栅双极型晶体管,是用于电能转换和控制的核心器件,被誉为电力电子行业的“心脏”和现代变流工业“皇冠上的明珠”。现代电子技术发展至今,产生了两个分支,一是以向微型化发展的信息电子技术,以CPU为代表;二是向大功率发展的电力电子技术,以IGBT等为代表。长期以来,我国IGBT芯片及相关产品99%以上依赖进口。

据悉,中国南车株洲所在此次鉴定会上同时展示了其“IGBT家族”的“超强阵容”,均代表行业最高水平,表明该公司已初步形成IGBT器件技术的完整产品型谱,成为国内唯一全面掌握IGBT芯片技术研发、模块封装测试和系统应用的企业。

国家难题

据了解,中国南车集合上百位专家,积20余年之功,累计投入超过3亿元,在IGBT芯片设计、封装测试、可靠性试验、系统应用上攻克了30多项重大难题,最终全面掌握了该器件的成套技术,建立起完整的IGBT规模化、专业化生产工艺体系,实现了我国IGBT技术从弱到强的转变。

《中国科学报》 (2014-01-09 第4版 综合)

高速和重载是现代机车车辆装备发展的两个重要方向,两者的关键都在于给机车提供一个强大而持续发力的“心脏”——牵引电传动系统。而牵引电传动系统里,一块巴掌大小的IGBT模块,成为“命脉”。

《中国科学报》 (2014-06-23 第1版 要闻)

过去,我国机车车辆用IGBT模块都要从德国、日本进口,特别是在高等级的IGBT器件上,更没有中国人的一席之地。2008年,随着高铁建设的加快,需求倍增,一个8列的动车组就需要152个芯片,成本高达200万元。每年中国需要10万只芯片,总金额高达12亿元。

中车株洲所IGBT项目的一位研发负责人说,国际产品销售市场中,中国并非优先级,我们买的价格贵,一个模块就高达1万多元,而且只能买成品,产品交货周期很长。

IGBT器件技术分为芯片、模块封装及应用测试三大块。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,一块巴掌大小的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”,它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”。

2007年,国家相关部委将IGBT器件技术作为我国重大专项课题,投入巨资,集中研发,但进展缓慢。

并购突围

中车株洲所在上世纪60年代建所,从零起步开始了电力机车电气系统的研究、设计、制造工作,曾依靠自己的力量,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”。

2006年,该所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。

2007年年末,席卷全球的金融危机为中车株洲所带来了机遇。

成立于1956年的英国老牌企业丹尼克斯半导体公司因为金融危机陷入困境。它是世界最早进行IGBT技术研发的厂家,该公司有一条4英寸生产线,因缺少资金和应用平台,发展较为缓慢。2008年10月31日,中国中车株洲所下属的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。

2010年5月,中车株洲所在英国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,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,并从所里派出了多批技术专家前往英国。

中车株洲所投入巨资,为丹尼克斯建成了多年梦寐以求的6英寸IGBT芯片生产线。随后,更多国内技术人员来到英国,新开发出多个1700伏以上高等级IGBT模块。合作顺利的双方携手进行下一代高功率IGBT芯片技术研究、生产。

高端技术

2013年12月27日,来自中国科学院、中国工程院的4位院士及10余位国内知名专家齐聚中车株洲所。一块指甲大小的银白色芯片,引发阵阵惊叹。

这是中国企业自主研制的第一款国内最大电压等级、最高功率密度的6500伏高压IGBT芯片。该成果总体技术处于国际领先水平、填补国内行业空白,实现了中国在高端IGBT技术领域与国际先进水平接轨,具有重大战略意义。

每一列高铁用到3000~5000个芯片,铺列开来有1平方米的面积,处理的是兆瓦级功率,一个芯片失效会导致高铁故障。无论轨道交通,还是新能源、工业变频,都高度依赖。

中车株洲所半导体事业部副总经理罗海辉透露,IGBT芯片从前期研发到产业化,都有国家战略在引导。他说,每个IGBT的制造需要通过200多道工序,涉及机械、半导体、材料、化工等多门复杂学科,目前能在国际上制造大功率IGBT芯片的国家屈指可数。

目前,中车株洲所投资14亿元建设了国内第一条8英寸的IGBT芯片生产基地,成为国内唯一一家全面掌握IGBT芯片技术研发、模块封装测试和系统应用的企业,其技术可与世界顶尖的公司媲美,而价格却远远低于竞争对手。

2015年,我国自主研发的高功率IGBT芯片首次走出国门,出口印度。

目前,中车株洲所还与中国科学院微电子技术研究所共同开展以碳化硅(SIC)为基础材料的新型IGBT技术研发,已经成功研制出芯片样品,构建了封装模型。这意味着中国半导体产业又前进了一大步。

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