Современные энергетические системы невозможно представить без мощных электронных преобразователей. При этом постоянно увеличиваются требования к ним по массо-энергетическим показателям. Решить это возможно путём существенной интенсификации охлаждения. Например, с помощью криогенных хладагентов, таких как сжиженный природный газ, жидкий азот, неон, водород и другие.
Московский авиационный институт имеет большой опыт в создании устройств с криогенным охлаждением, в том числе с применением высокотемпературных сверхпроводников. Команда учёных НИО-310 МАИ решила использовать этот опыт для охлаждения силовых полупроводников. Особенно актуально применение таких устройств в транспортных и энергетических системах, работающих с применением различных криогенных хладагентов. Это корабли-газовозы, локомотивы-газотурбовозы, генераторы-турбодетандеры, а также пассажирские самолёты с гибридной силовой установкой.
Криогенная электроника — относительно нове направление в мировой практике и требует проведения большого объёма исследований. Учёными МАИ выполнен ряд экспериментов по исследованию электрических свойств силовых электронных компонентов при сверхнизких температурах, что позволило получить уникальные данные о характеристиках компонентов в диапазоне температур от -200 до +25 °С.
Работы по этому направлению в Московском авиационном институте выполняют студент магистратуры Алексей Алексеев, аспирант Михаил Остапчук, доктор технических наук, профессор кафедры 310 Даниил Шевцов, научный сотрудник, кандидат технических наук Сергей Занегин. Руководит исследованиями кандидат технических наук, доцент Дмитрий Шишов. Проект реализуется при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации.
На основе полученных данных спроектирован и изготовлен демонстратор управляемого выпрямительного устройства с криогенным охлаждением силового каскада. Устройство предназначено для работы в составе системы, в которой оно свяжет сверхпроводниковый генератор и нагрузку и обеспечит стабилизацию и регулирование напряжения. Разработка может эффективно работать при экстремально низких температурах, имеет потенциально меньший вес и меньшие габариты в сравнении с традиционными выпрямителями.
«Возможности криогенного охлаждения в силовой электронике совсем мало изучены. Прежде всего, это связано с тем, что нет производителей, выпускающих электронные компоненты с температурным диапазоном работы ниже -60 °С. Именно поэтому мы провели не просто разработку устройства, но и предварительно испытали электронные компоненты при температуре от -200 до +25 °С, определив их характеристики. Это позволило правильно выбрать компоненты для использования в нашем устройстве», — говорит руководитель направления Дмитрий Шишов.
Силовые электронные блоки могут иметь существенную массу и размеры в силу большой мощности. Использование имеющихся в системе хладагентов, в том числе для охлаждения электроники, может дать также существенный синергетический эффект. Например, в перекачивающих сжиженный природный газ (СПГ) системах используются электродвигатели, управляемые электронными регуляторами. Отведение излишек тепла от них перекачиваемым СПГ может снизить массу электрических моторов без дополнительных затрат на отдельную систему охлаждения. Ещё более сильно эффект снижения массогабаритных показателей может проявиться в сверхпроводниковых системах, работающих с применением жидкого азота или водорода.
Направление криоэлектроники развивается различными научными центрами по всему миру. В США это Nasa, University of Glasgow в Великобритании, в России — «Авангард», а также многие другие. Основная часть результатов исследований не публикуется, но, со слов научных сотрудников кафедры 310 МАИ, по косвенным признакам можно сказать, что все исследования находятся примерно на одном и том же уровне — проверке гипотез, поиска прикладных направлений, подбора компонентов. В этом смысле в МАИ продвинулись дальше, — создали устройство, на основе испытаний которого можно будет делать выводы о дальнейшем развитии силовой криоэлектроники.
В МАИ на демонстраторе силового криогенного преобразователя уже проведён ряд экспериментальных исследований. К концу 2022 года планируются его испытания уже в составе системы-демонстратора канала генерирования для перспективного летательного аппарата — среднемагистрального пассажирского самолёта, работающего на гибридной силовой установке.
Проведенные работы, а также запланированные теоретические и экспериментальные исследования позволяют ожидать в скором времени появления нового направления в силовой электронике, развитие которого позволит улучшить существующие системы, а может быть, и создать абсолютно новые.
