為高鐵裝上“中國心”
2023年6月28日。上午。福建湄洲灣。
跨海大橋雄壯寧靜，像蟄伏待飛的臥龍。驀地，勁風呼嘯，橋面閃過兩道銀色閃電——兩列簇新的更高速度等級CR450試驗列車相對迅疾飛馳，交會而過。
“單列速度453公里/小時！”“相對交會891公里/小時！”
顯示屏呈現(xiàn)著這一刷新“復興號”運行最高速度及高鐵列車明線交會速度世界紀錄的數(shù)字，中國高鐵又一次閃耀世界。列車內外，海天之間，爆發(fā)出海潮般的掌聲和歡呼聲，很多人淌下激動的淚水。
千里之外的湖南株洲，中車株洲電力機車研究所有限公司正高級工程師陳燕平也是眼角濕潤的一個。CR450試驗列車裝載由她和團隊自主研發(fā)的IGBT牽引變流器，跳動著凝聚他們無數(shù)心血的“中國心”。
探路
操作高壓電做實驗相當危險。一次，陳燕平和同事剛接通電源，躲到柜子后面，只聽嘭的一聲，發(fā)生了爆炸，好在沒人受傷。
1998年6月的一天，驕陽如火，剛出上海交通大學校園的陳燕平內心燃著激情的火焰，走入了中車株洲所大門，加入IGBT牽引變流器設計團隊。
IGBT，即絕緣柵雙極型晶體管，是能源變換與傳輸?shù)暮诵钠骷?，IGBT牽引變流器則是列車的動力裝置，類似列車的心臟，能對接入列車的高壓電進行調壓調頻控制，為列車運行提供源源不斷的動力。這種核心元器件應用技術長期被國外壟斷，且禁止轉讓給中國。中車株洲所IGBT牽引變流器設計團隊僅有4人，承擔著IGBT牽引變流器自主國產(chǎn)化的科研重任。報到的第一天，陳燕平像當年考上大學一般興奮。
團隊負責人忻力成為陳燕平的師傅，但他對這位徒弟兼團隊唯一“女將”并不熱情，頭次見面便板著臉潑冷水：“女生不適合搞這一行。每天要和幾百公斤重的變流器打交道，還是強電，很危險?！?/p>
“師傅，請放心，我出身農(nóng)村，什么苦都能吃?！痹诤虾馍洁l(xiāng)下長大的陳燕平說。
國內在IGBT牽引變流器研發(fā)方面，至少落后西方國家5年。陳燕平來這里前，中車株洲所做的都是些小容量的初級產(chǎn)品。不過，她到來時，我國第一臺輸出功率達1.2MW 的IGBT牽引逆變器剛好下線。這臺IGBT牽引逆變器應用在廣州地鐵工程維護車上，雖仍采用進口驅動板，但自己的產(chǎn)品終于有了上線的機會，也給了陳燕平一個長見識的機會。勤琢磨、愛鉆研的陳燕平很快熟悉了整個系統(tǒng)和變流器工作原理，也贏得了師傅和團隊的認可。
2000年前后，因為西方國家對IGBT驅動技術實行技術封鎖，國內驅動產(chǎn)品只能依賴高價進口，一顆芯片要價近2萬元，而一輛列車便需要上百顆芯片。
這天，師傅忻力找到陳燕平，談了當前的困局后，面色凝重地交代：“你來負責IGBT驅動技術研發(fā)，算是探路?！?/p>
陳燕平開始將頭埋進厚厚的文獻資料，消化了大量進口驅動電路板說明書，隨后開始獨立做實驗。第一次是測試一款進口驅動電路板，陳燕平很小心，先按照說明書接通電源，開啟示波器測試波形。但波形還沒顯現(xiàn)，驅動電路板便開始裊裊冒煙，被燒壞了。
“這可怎么辦？”這塊電路板價值1500元，超過陳燕平兩個月的工資。她誠惶誠恐地告訴師傅，等著處罰。
師傅卻無半點責怪之意，趕過來笑著寬慰：“沒關系，這在科研中很正常。”說完，他幫著排查出了原因。
臨走，師傅語重心長地說：“IGBT模塊的質量事關整個牽引變流器的穩(wěn)定性和功率，實驗室里可以失敗100次、1000次，但出了實驗室的產(chǎn)品，必須穩(wěn)定可靠，裝車后必須保證零故障。”
在兩平方米左右的實驗臺做實驗，成了陳燕平的日常功課。每次設計，她都要重新配置很多組參數(shù)，從中挑選實驗結果最好的；每一組參數(shù)配置又要經(jīng)歷各種實驗研究：從低壓到高壓，從小電流到大電流，從低溫到高溫，從正常工況到各種短路故障工況。
實驗十分枯燥，像在深山古寺打坐。陳燕平邊用電烙鐵改線路，邊一絲不茍記錄從常溫到高溫狀態(tài)下電壓和電流的各種參數(shù)。幾個月下來，筆記本記了一本又一本，上面滿是密密麻麻的實驗參數(shù)。
IGBT驅動技術必須用到高壓電，實驗室條件簡陋，沒有高壓電源，陳燕平就自己動手，用變壓器、二極管和電阻開關等搭高壓電源，原始電壓只有220V，通過二極管做成整流器，兩個整流器串聯(lián)起來，就有了500V到1500V，但耐壓不夠，整個電路發(fā)出嗞嗞的聲音。
操作高壓電做實驗相當危險。一次，陳燕平和同事剛接通電源，躲到柜子后面，只聽嘭的一聲，發(fā)生了爆炸，好在沒人受傷。
陳燕平驚魂甫定，馬上開始琢磨如何避免實驗爆炸的傷害。不久，她和同事合作，在軟件里設計出3秒鐘延時，實驗啟動后有3秒可以迅速躲到柜子后面，等電能釋放完再出來觀察。這一巧妙設計，如今還被廣泛應用在實驗室。
苦心人，天不負。2001年，陳燕平與團隊終于成功開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權的高性能IGBT驅動板，填補了我國大功率IGBT牽引變流器相關空白，也打破了長期受制于人的困局。
這年11月，我國擁有自主知識產(chǎn)權的第一臺動力分散型電力動車組“中原之星”投入運營，采用了株洲所自主研發(fā)的IGBT牽引變流器，國產(chǎn)動車終于裝上“中國心”！
受挫
陳燕平和同事無奈之下，自己花2萬日元買了張交通卡，用了4天時間坐城軌和地鐵，體驗日本的軌道交通產(chǎn)品。
2003年4月，一個不利消息傳到中車株洲所。國家召開關于鐵路機車車輛和裝備現(xiàn)代化的會議，提出引進先進技術、聯(lián)合設計生產(chǎn)、打造中國品牌以發(fā)展中國高速列車和高速鐵路的思路，同時下馬所有鐵道部以前安排的研發(fā)項目。
這意味著進口產(chǎn)品將盛行一時，中車株洲所自主研發(fā)的IGBT牽引變流器暫時沒了上線的機會。大家滿臉沮喪時，陳燕平慨然地說：“自主創(chuàng)新的潮流肯定會回來的，我們要把技術傳承下去，這是我們這代人的使命！”
國家引進高速列車技術，主要是從4家外國企業(yè)購買4個車型及相應的技術轉讓，它們被鐵道部統(tǒng)一命名為“和諧號”。其中，2型車，即CRH2，以新干線E2-1000為原型車，時速200公里，由鐵道部向日本川崎重工業(yè)株式會社訂購60列，株洲所被上級指定消化、吸收2型車的牽引和網(wǎng)絡控制系統(tǒng)。
2005年11月28日，陳燕平和同事前往日本，到三菱電機學習，這是新干線E2-1000車型的牽引變流器供應商。三菱電機時刻戒備，陳燕平他們提出去實驗室參觀時，遭到斷然拒絕。陳燕平和同事無奈之下，自己花2萬日元買了張交通卡，用了4天時間坐城軌和地鐵，體驗日本的軌道交通產(chǎn)品。
這對陳燕平觸動很大。她對同事說：只依靠技術引進難以實現(xiàn)技術進步，因為中國企業(yè)只能按照引進的技術進行生產(chǎn)，陷入技術依賴狀態(tài)，無法實現(xiàn)創(chuàng)新。
2006年國慶節(jié)前幾天，一縷陽光照進了株洲所。他們意外接到了一個小訂單——昆明焊軌車牽引變流器項目。所里緊急研究后，她被安排為項目負責人。
灑下無數(shù)汗水后，陳燕平和團隊終于開發(fā)出了436kVAIGBT牽引傳動系統(tǒng)，株洲所也如期完成了項目交付。這是鐵道部叫停所有中國車型和核心系統(tǒng)后，株洲所完成的首個自主創(chuàng)新牽引變流器項目。從436kVA、1000kVAIGBT牽引傳動系統(tǒng)的開發(fā)，到后來的6500V IGBT元件驅動器設計，陳燕平和團隊在艱難中摸索著自主開發(fā)，為中國高速列車后來的“山花爛漫”奠定了良好的基礎。
轉機
故障的排除，意味這次訂單最終達成，更意味著中國完全有能力批量生產(chǎn)國產(chǎn)化列車“心臟”。
2008年10月。陳燕平手機突然響起來?！案嬖V你一個天大的好消息，鐵道部可能會給所里一個大訂單?！彪娫捘穷^是師傅忻力。這是HXD1C型電力機車項目，目標是打造我國具有完全自主知識產(chǎn)權的大功率交流傳動六軸7200千瓦交流傳動客貨兩用電力機車，且在三年內將會有成百上千列交付投運。這個大訂單，將由忻力和陳燕平的團隊負責機車牽引變流器的配套。
這時，已升任牽引變流器部部長的陳燕平和同事們的研發(fā)已逐漸贏得了市場的認可和突破，但相比這個項目都只能算是小巫見大巫。這年12月，株洲所正式啟動牽引變流器研制。時間相當緊，按照主機廠在2009年4月交付的要求，留給陳燕平團隊的時間僅有5個月，這期間需完成設計、生產(chǎn)試制到實驗交付。
那段時間里，陳燕平忙得像陀螺。為提高效率，她像海綿里擠水一般千方百計擠時間。2009年2月底，寒風凜冽，株洲所卻似乎春風蕩漾，喜氣漫溢，陳燕平和團隊初戰(zhàn)告捷，完成了首件牽引變流器研制。
但隨后的樣機試制及實驗又面臨難關。這時，制造中心連出廠實驗設備都沒有，陳燕平和團隊只得從零開始自己搭建。有了實驗平臺，她又全程帶著團隊沒日沒夜做實驗。
四個月后，裝載株洲所自主研制的大功率牽引變流器的六軸7200千瓦電力機車成功下線。令陳燕平?jīng)]想到的是，更大的考驗來了：樣機在北京環(huán)鐵實驗站實驗運行時，出現(xiàn)了牽引變流器母排燒損故障。故障突然出現(xiàn)，猶如一道壕溝阻擋了沖鋒的陣仗，讓千軍萬馬驟然停住。千萬道灼熱的目光向陳燕平和團隊看過來，他們焦急萬分。大家一籌莫展之際，陳燕平突然靈光一閃，決定實驗一種新方法，用儲能電抗器來抑制實驗過程中出現(xiàn)的異常諧振電流。
多年后，她仍然記得最后一次實驗的場景：凌晨3點，明河在天，蟲聲悄然，中車株洲所領導和整個團隊環(huán)繞周圍，每個人的臉都緊繃著，屏息以待，等著實驗結果。當理想的波形終于出現(xiàn)，所有人都像孩童般歡呼起來。
陳燕平長舒了一口氣。故障的排除，意味這次訂單最終達成，也意味著中車幾代人的夢想得以實現(xiàn)，更意味著中國完全有能力批量生產(chǎn)國產(chǎn)化列車“心臟”，我們離世界先進水平又進了一步！六軸7200千瓦電力機車的出現(xiàn)，更一舉打破國外跨國公司對重載貨運電力機車核心技術的壟斷，結束了長期以來國內大功率交流傳動電力機車電氣系統(tǒng)核心技術完全依靠進口的局面。
功成
這條來之不易的生產(chǎn)線，向世界豪邁宣告：中國已徹底實現(xiàn)高鐵動車組IGBT國產(chǎn)化。
2008年，金融海嘯的滔天巨浪席卷全球。國際知名的英國丹尼克斯公司曾雄視天下，風光無限，此時也未能幸免。這是一家具備4英寸IGBT生產(chǎn)能力的企業(yè)，技術超一流，中車株洲所多年來關注，或者說歆慕已久。
這時，國內已擁有列車牽引變流器的自主設計能力，但核心功率器件IGBT還必須依賴進口。該出手時就出手，中車株洲所拿出不到1億元人民幣，收購了丹尼克斯公司，且以75%的股權絕對控股。收購完成后，陳燕平和團隊再次接受重托，開啟IGBT技術的吸收與消化，打響一場攻克技術壁壘、全力研制“中國心”的戰(zhàn)役。
IGBT器件漂洋過海到了公司，陳燕平領著團隊守在實驗室，對產(chǎn)品的出流能力、短路能力等十余種性能一一進行評估分析。結果出來后，她意外發(fā)現(xiàn)丹尼克斯器件的開關損耗率較高，于是點開郵箱，將問題反饋過去。
回復很快來了：“你們是怎么做實驗的？”“你們的實驗參數(shù)是多少？”
丹尼克斯英國員工一連串的反問與質疑，就是沒有反思自己的產(chǎn)品。陳燕平相信，事實勝于雄辯。她耐心把實驗條件、每項實驗參數(shù)等都一一列出來，然后發(fā)給對方去驗證。多年后，陳燕平回憶說：“他們自己也有實驗條件，一驗證就知道誰對誰錯，慢慢地也對我們產(chǎn)生了信任和認可?！?/p>
當然，丹尼克斯公司的技術能力還是數(shù)一數(shù)二的。陳燕平和團隊像海綿吸水，無數(shù)次研究、實驗，消化吸收這些先進技術，終于開發(fā)出了擁有自主知識產(chǎn)權的IGBT驅動器。2014年，一個喜訊像春雷般傳遍大江南北，中車株洲所成功實現(xiàn)IGBT的自主生產(chǎn)，建成了世界第二條8英寸IGBT生產(chǎn)線。這條來之不易的生產(chǎn)線，向世界豪邁宣告：中國已徹底實現(xiàn)高鐵動車組IGBT國產(chǎn)化。
IGBT驅動器生產(chǎn)出來后，陳燕平又全身心投入到如何保障產(chǎn)品質量和可靠性。此前，盡管批量產(chǎn)品上線應用時間還不長，數(shù)量也不多，她就已未雨綢繆，組建了機車IGBT器件可靠性和壽命研究團隊，專門負責保障產(chǎn)品質量和可靠性。她告誡大家說：“與其讓別人居高臨下來挑毛病，不如自己提高標準、嚴格要求，多多自我找茬兒?！?/p>
陳燕平也特別會“算賬省錢”。起初，生產(chǎn)出來的IGBT容易出故障，且占據(jù)變流器模塊一半的成本。如果IGBT失效，60%與可靠性相關，最輕微的后果是返修。
陳燕平給團隊仔細算了一筆賬：“返修的成本有多高？光是模塊返修和人員差旅費就要10萬元，相當于一輛小汽車就沒了。如果變流器出現(xiàn)‘機破’這種嚴重故障，成本更高，甚至會影響后續(xù)訂單及市場?！?/p>
她的“算賬”令IGBT器件可靠性和壽命研究團隊每個成員都深感責任重大，不敢稍有大意。
此后，陳燕平和團隊以機車應用平臺作為研究對象，通過為期兩年的現(xiàn)場應用工況調研和測試，近1000只IGBT破壞性實驗，近500個變流器模塊加速壽命實驗，累計持續(xù)實驗時間超2萬個小時，創(chuàng)新搭建了一套面向機車應用平臺的IGBT器件可靠性實驗方法和壽命評估體系。因為他們的精益求精，投放在線路運行的二十多臺機車IGBT模塊，從未出現(xiàn)一個運行故障，創(chuàng)造了新的質量紀錄。
再沖鋒
對陳燕平而言，CR450動車組驚艷世界的成功，僅僅是PCU研發(fā)“萬里長征”的第一步。
2010年春天，湘江兩岸開遍鮮花，陳燕平和團隊又開始新的沖鋒——研發(fā)六軸9600千瓦牽引變流器。因為采用的是新型6500V高壓IGBT器件，國外對該項技術的應用也僅處于起步階段，找不到任何借鑒資料，研發(fā)起來險阻層出不窮。不過，喜歡挑戰(zhàn)的陳燕平不僅未退縮，反而有著隱隱的興奮。
項目設計階段就遇到了難題，設計方案優(yōu)化了6次，誤報故障卻依然存在，她和團隊像進入了迷霧彌漫的森林，找不到出路。
“怎么又誤報了？”一位團隊骨干緊盯著試驗機屏幕前的各項數(shù)據(jù)，額頭滲出了細密的汗珠。
泰山崩于前而色不變，久經(jīng)戰(zhàn)陣的陳燕平讓大家先回去休息，只身回到辦公室，望著辦公桌上的變流器模型出神。她腦海里將試驗逐一復盤，一個想法驀地涌入心頭：或許國外的思路本身就存在問題呢？
此時，他們借鑒的是一家國外公司的驅動線路技術，沒有人對此提出過質疑?！拔覀兡懿荒苻饤墖獾募夹g方式，采用另外一條線路？”
隨后幾天里，陳燕平往返奔波于辦公室與試驗站，創(chuàng)造性地提出用電抗器抑制諧振電流的方案。接下來，她又和大家談自己最新的想法和思路。根據(jù)新方案設計的模型很快出來了。整個團隊一頭扎進了試驗站連夜進行試驗，整理分析數(shù)據(jù)，再根據(jù)結果不斷改進，一環(huán)緊扣一環(huán)。最終，故障像畏懼遠遁的惡狼，再也不曾出現(xiàn)了。
2012年，中國鐵路總公司牽頭組織中國標準動車組，也就是“復興號”的研制工作。陳燕平被任命為牽引變流器項目的指導專家，重點解決在項目過程中的關鍵問題。
這是一場對標國際先進水平的全新挑戰(zhàn)，艱辛可想而知。團隊遇到的第一個難題，是怎么讓這顆“中國心”保持世界領先。團隊制定了多套前沿技術方案進行對比研究，反復進行試制驗證。項目會議室里，每天凌晨兩三點仍燈火通明，方案稿一次次被推翻重來。許多次似乎走進了死胡同，大家依舊鼓起勇氣繼續(xù)找出路。經(jīng)過充分論證，他們最終創(chuàng)新性地提出了主輔一體牽引變流器的設計方案。這一方案具有集成度高、功率密度大的特點，通過一百多次試驗后，最終成功定型。
新的難題隨之而來：整車裝車后，出現(xiàn)軸重超重，這就要求各個部件全面進行減重設計。
減什么？如何減？項目論證會開了一場又一場，項目組從結構、物料、方案逐個攻破，但仍舊離減重目標存在差距，大家陷入了焦灼與痛苦之中。這時，陳燕平突然想，如果無法再繼續(xù)減下去，那有沒有考慮載流量分配合理的問題，溫升裕量是不是也太大了？
她把思路提出來，團隊如夢初醒，馬上轉入載流量和溫升裕量的針對性攻關。捷報也接連傳來：變流器再一次減重，由4200公斤降低到3650公斤，減重比例達13%；長度由4860毫米減少為4550毫米，總體積減少6.4%。
2018年，陳燕平專家工作室成立。后來，她又擔任中國中車首個巾幗科技創(chuàng)新工作室負責人。從普通技術人員到設計專家，負責工作室，陳燕平的角色變了，但戰(zhàn)場沒有變。
2023年6月福建湄洲灣的CR450動車組試驗，便傾注了陳燕平對前沿技術PCU研發(fā)的心血。PCU是“進階版的IGBT”，一種新型的封裝技術平臺，具有功率密度高、集成度高、兼容性好、應用便捷、具備智能化功能等特點。對陳燕平而言，CR450動車組驚艷世界的成功，僅僅是PCU研發(fā)“萬里長征”的第一步。她深信，有自己和團隊一大批優(yōu)秀人才的集智沖鋒，不久之后，將會有一列列新一代標準的高速動車組，帶著14億中國人民對美好生活的憧憬，奔馳在遼闊的祖國大地上。
