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【名片】
一種專業學名為“絕緣柵雙極型電晶體”的“超級厲害”電子元器件，可在1秒鐘完成10萬次複雜電壓、電流的控制、變換，讓電流按照應用需求精準提供動力。作為當今世界能源變換與傳輸的核心器件，這種叫“IGBT”的晶片被視為高鐵“心臟”，由它轉換電能驅動高鐵飛馳。2014年，我國自主研製的8英寸IGBT晶片，在中車時代電氣股份有限公司下線。此後，這一“中國芯”廣泛應用於軌道交通、智慧電網、電動汽車、新能源裝備等領域。
湖南日報全媒體記者 彭雅惠
火車呼嘯而來，在中國駛過140多年。
從1881年第一列蒸汽機車在“唐胥鐵路”上發出，到1959年中國第一臺液力傳動內燃機車試製成功，再到上世紀90年代電力機車投入使用，每一次動力系統革新都帶來火車速度的飛躍。2009年12月，時速350公里的武廣高鐵運營，我國疾馳進入全新“高鐵時代”。
10多年來，我國建成了世界上規模最大的高鐵網路，500多座城市、數以億計的人口因此緊密相連。如今，全國高鐵線路運營總里程已突破4萬公里，每天奔跑在各條線路的高鐵機車超過5000列。
中國高鐵飛速發展，有高鐵“心臟”之稱的IGBT核心器件至關重要。而生產中國高鐵“中國芯”的，是位於湖南株洲的中車時代電氣股份有限公司（以下簡稱“時代電氣”）。
指甲蓋大小晶片，1秒鐘完成10萬次開關
6月12日上午9時12分，G6119次“和諧號”從張家界西駛出，時速從0到350公里，只用了不到5分鐘。因工作常往返於湘西南各地的邱帥，現在出行首選張吉懷高鐵：“張家界到懷化從4小時縮短到1個多小時，吉首到懷化從2個多小時縮短到半小時。”
張吉懷高鐵被稱為“雲端高鐵”，線路基本建在大山、懸崖、深谷，平地線路不到10%，但高鐵行駛速度和穩度絲毫不打折扣。
高鐵執行中，要在短時間將時速從0提升到300公里以上，反之，也需要在極短的時間內將正在高速執行的列車平穩停下來。這看似簡單地加速、減速過程，相關傳動裝置、牽引變流器以及其他電動裝置，要在短暫的時間內完成一系列複雜的高難度動作，這需要確保各種裝置所需的電流、電壓極為精準、可靠。
（5月17日，坐落在株洲市石峰區的中車時代電氣股份有限公司，廠區環境優美，綠樹如蔭。 湖南日報全媒體記者 田超 攝）
在當前技術條件下，只有大功率IGBT晶片才能反覆實現這樣苛刻的電流控制。
在時代電氣，記者一睹IGBT晶片真容：一片片直徑20釐米的圓形薄片裡，排列著上百個指甲大小的晶片。
這小小的東西有什麼特殊？隔著厚厚的玻璃，看著矽片上閃閃發亮的晶片，記者感覺不出它的神奇。
“別看這東西樣子不大，但內部結構很複雜！”時代電氣研發負責人羅海輝比劃著說，從結構上來講，在這樣一個指甲蓋大小、半根頭髮絲厚的小小晶片裡面，並聯擺放著6萬個被稱作“元胞”的基本單元，只有在高倍顯微鏡下，才可以一睹晶片內的“廬山真面目”；從功能上來說，這種晶片，能夠在1秒鐘完成10萬次開關動作，實現電流快速轉化。
通俗地說，透過IGBT晶片的作用，可以對複雜、敏感的電壓或電流實現靈活控制。如果我們把無形的“電”視為有形的水，電流即水流、電壓即水壓。人們可以透過控制閘門的開啟和關閉，達到改變水的流向和大小的目的；同樣，IGBT在電力裝置中就像一道閘門，透過它可以控制流經各種電力裝置中的電能，使電能利用更加合理、高效。
生產IGBT晶片，比頭髮絲上雕花難得多
進入IGBT晶片生產車間前，羅海輝首先換上消毒內衣，然後穿上全密封一體化操作服、防塵鞋、消毒口罩，再戴上全密封手套二次消毒……
“晶片生產區域對潔淨度的要求太高了。”羅海輝解釋說，研發、製造出效能優越且具有高可靠性的IGBT，要突破諸多設計、工藝等難點。
IGBT晶片中的“元胞”，僅頭髮絲十分之一大小，要將6萬個這樣的“元胞”，高度均勻地安置在一個指甲蓋大小的晶片上，“元胞”的均勻度，決定晶片功效的高低，“這遠勝於在頭髮絲上雕花”。
IGBT晶片的製造，是一個物理作用與化學作用完美結合的過程。前後共有200多道大大小小的工藝步驟，每個工藝步驟必須精準到位，每項技術火候都必須拿捏得當，一個噴嚏的震動、一粒微塵的遮蓋，都可能導致製作偏差，導致整批晶片報廢。
中國工程院院士、中車首席科學家丁榮軍記得，過去IGBT技術被少數工業強國壟斷，外國企業掌握定價權，一個模組售價過萬元，且只賣成品；轉讓合同檔案還明確註明，傳動和控制電驅動系統的IGBT技術不能轉讓。他說，這個技術是國家工業競爭力的重要體現，用錢也買不來。
（中車時代電氣股份有限公司IGBT生產現場。 資料圖片）
彼時，每年全國高鐵進口晶片成本超過12億元，採購週期長達數月甚至一年。
從零開始，獨立研製效能優越、高度可靠的IGBT晶片，難度何其大。
時代電氣智慧地選擇了一條“捷徑”——實施“收購-整合-創新”戰略，透過全球性戰略佈局，吸納國際優勢研發資源，對IGBT技術進行自主攻關。
從實驗室到量產，工程師團隊又一連數月開啟“24小時運轉”模式，對溫度、氣流、工藝時間等成百上千個引數一遍遍驗證、分析、微調、驗證……直至找到最優解。
在攻克30多項關鍵核心技術後，時代電氣擁有了從晶片設計、封裝測試、可靠性試驗、系統應用等全流程、完整的技術和工藝體系，具備了大規模產業化條件。
2014年6月，由我國自主研製、具有完全智慧財產權的8英寸IGBT晶片在時代電氣成功下線，中國高鐵從此迎來了“中國芯”。
不到10年時間，走完了國際巨頭30年的路
5月25日，粵港澳大灣區直流背靠背電網工程正式投產，成為世界首個異同步背靠背工程。透過柔性直流技術，將粵港澳大灣區原本連成一片的大電網分解為多個不同步的小區域電網，既能分割槽執行，防止大面積停電事故；又能相互支援，更大規模確保各區域電網協調互動。
不僅僅是粵港澳大灣區電網工程，在智慧電網發展中，IGBT裝置大顯身手。
電網執行一個重要的前提是安全，但電力來源比較複雜，除了常規的水電、火電外，風電、太陽能光伏發電以及個性化、分散式能源，越來越多地併入電網。正因為電力來源的多樣化，給電網安全、平穩執行帶來嚴峻挑戰。特別是時有時無、時高時低的風電，對電網安全執行的考驗最為突出。要將這些來源複雜、大小不均的“粗電”，轉化為均勻、平穩、安全的“精電”，需要IGBT這種半導體裝置發揮調節功能，且IGBT裝置的功率越大，其能承受的電壓區間就越廣，調控能力就越強，電網安全效能就越高。
新能源應用領域，IGBT同樣大放異彩。在南海明珠——海南島，公交巴士來往頻繁，卻不見尾氣排放。原來，島上行駛的多是混合動力巴士，使用汽車級IGBT模組，讓混合動力巴士節電20%，更易於市場推廣。
（中車時代電氣股份有限公司生產的IGBT晶片產品。在一片片直徑20釐米的圓形薄片裡，排列著上百個指甲蓋大小的晶片。湖南日報全媒體記者 田超 攝）
除了這些“高大上”的裝備，日常生活中，IGBT也不可少。比如說，我們使用的變頻空調，就是利用IGBT裝置對電能進行最佳化控制，使空調能更加智慧、人性化地執行，還可節省30%左右的電能。冰箱、洗衣機、電磁爐等裝置中，同樣有IGBT的用武之地。
“從首批產品下線至今8年，我們已連續升級4代IGBT晶片。”羅海輝告訴記者，“升級”是自覺的，也是被迫的。
2014年“中國芯”剛剛投產，國外競爭對手就聯合起來實施大幅降價，打起慘烈價格戰，同時宣佈向市場投放新一代IGBT產品。
“我們才剛剛學會走，人家已經跑起來了。”時代電氣高階工程師劉國友感慨，這種核心技術競爭，一旦開始，就必須盡全力爭先，否則只能被甩，“所有工程師都被使命感所驅動。”
經歷9年零6個月、3000多個日日夜夜奮戰，“中國芯”在技術上終於追平了對手，用不到10年的時間，走完了國際巨頭們30年的路。
追趕之後，還要領跑。
技術更迭，在時代電氣從未停止。體積更小、功率更大、更智慧化的“中國芯”不斷推出。“早已經沒有標杆可以學習，完全要靠自己原始創新。”
2021年，第七代IGBT技術問世，完全打破原有技術路線制約，利用晶片、子模組、模組的協同創新，攻克了壓力均衡與晶片數量難以協調的世界性難題，使產品效能表現達到國際領先水平。
【青年觀察】
從蛋裡面自己啄開，很可能是隻鷹
中車時代半導體有限公司研發工程師 冉曦宇
命脈，不能掌握在別人手裡。
我是個“微電子”專業的理工男，簡單來說，成為晶片研發工程師，於我而言是“專業對口”。
（5月17日，中車時代電氣股份有限公司陳列室，來賓在參觀晶片產品。湖南日報全媒體記者 田超 攝）
很多人以為，晶片就是電腦或手機裡那顆CPU。實際上，當今世界無處不用晶片，高鐵、電動車靠晶片驅動，電網電流用晶片傳輸，工業生產以晶片控制，如今在所有公眾場所幾乎能看到的熱成像儀也憑晶片感知溫度。
說晶片關係國家命脈，一點也不為過。
中國作為全球經濟發展最快地區之一，晶片需求一直居高不下，吸引著全球產業向我國集中。我在工作中認識的一位歐洲商人就曾在聊天中提起，美國的晶片、歐洲的半導體原材料和裝置能銷售到哪？只能去中國。
可是，龐大的市場不等於掌握了命脈。上大學那會，當驅動高鐵的IGBT晶片還是我國“卡脖子”難題時，全世界的IGBT企業都在坐地起價。
科技封鎖與晶片斷供從來不遙遠，只要有利益之爭，我們隨時都能在電晶體裡聞到硝煙的味道。
雖然從事晶片研發行業後，我不得不承認這項工作真的很枯燥——工作環境必須保持刻板嚴苛，用顯微鏡盯著研究物件常常眼睛發痛，晶片生產時間往往以月為單位計算、糾錯時間更加漫長……但我確定自己將堅持下去，因為，用中國心，造“中國芯”，我對此充滿了使命感。
電影《長津湖》有個片段，伍千里對弟弟伍萬里說：一個蛋從外面被啄開，註定會被吃掉。你要是能從裡面自己啄開，很可能是隻鷹。
［責編：戴蓉］
［來源：湖南日報·新湖南客戶端］