Продолжаем рубрику «Жизнь в науке, наука в жизни», в которой мы публикуем материалы ученых Тамбовского государственного технического университета об интересных фактах, явлениях, открытиях в разных областях науки. Сегодня доцент кафедры «Электроэнергетика» Мария Каменская расскажет об основах силовой электроники.
Использование электроэнергии в различных областях техники связано с ее выработкой, передачей и распределением. На всех перечисленных этапах необходимо управление потоками электрической энергии, а в отдельных случаях необходимо преобразование одного вида электроэнергии в другой, например электроэнергии переменного тока в электроэнергию постоянного тока и наоборот. Успешное решение этих задач зависит от возможностей электротехнических устройств, реализующих требуемые функции.
В 20 веке были созданы полупроводниковые приборы большой мощности, работающие в ключевых режимах и отличающиеся полной управляемостью и быстродействием. Эти приборы сделали возможным дискретное управление потоками электрической энергии большой мощности на повышенных частотах по требуемым законам. Применение устройств на основе этих приборов позволило существенно сократить потери электроэнергии, а также повысить ее качество.
Область электроники, связанная с преобразованием или коммутацией электрической энергии, называется силовой электроникой. Термин «силовая электроника» начал широко использоваться для более четкого разграничения между электроникой информационной (слаботочной) и силовой, называемой также энергетической. Основным показателем силовой электроники является минимизация потерь энергии при преобразовании и управлении потоками электрической энергии.
Внедрение силовых электронных устройств было связано с такими негативными явлениями, как искажения форм токов и напряжения, приводящие к возникновению неактивных мощностей — реактивных на основной гармонике переменного тока и мощностей искажения на частоте высших гармоник. Это приводило к росту потерь мощности и нарушениям работоспособности различных технических устройств.
Самые важные и самые интересные электронные устройства, которые используются в настоящее время, созданы из полупроводниковых материалов.
Диоды, транзисторы, тиристоры, термисторы, фотогальванические элементы, фототранзисторы, фоторезисторы, лазеры и интегральные схемы (рис. 1)— все эти электронные устройства изготовлены из полупроводниковых материалов, или полупроводников.
Материалы можно классифицировать согласно их способности проводить электричество. Вещества, которые свободно проводят электрический ток, такие как серебро и медь, называются проводниками.
Проводники.
Ag — Серебро. Драгоценный металл. Понятие «драгоценный металл» означает в том числе особые условия по работе с металлом, устанавливаемые законодательством. Серебро — самый дешевый из драгоценных металлов, но, тем не менее, слишком дорог, чтобы массово делать из него провода. На 5% лучшая электропроводность по сравнению смедью, при разнице в цене почти в 100 раз.
Cu — медь. Основной металл проводников тока. Обмотки электродвигателей, провода в изоляции, шины, гибкие проводники — чаще всего это именно медь. Медь нетрудно узнать по характерному красноватому цвету. Медь достаточно устойчива к коррозии. Провода. Основное применение меди в чистом виде. Любые добавки снижают электропроводность, поэтому сердцевина проводов обычно чистейшая медь.
Гибкие тоководы. Если проводники для стационарных устройств можно в принципе изготовить из любого металла, то гибкие проводники делают почти всегда только из меди, алюминий для этих целей слишком ломкий. Содержат множество тоненьких медных жилок.
Al — Алюминий. "Крылатый металл" четвертый по проводимости после серебра, золота и меди. Алюминий хоть и проводит ток почти в полтора раза хуже меди, но он легче в 3,4 раза и в три раза дешевле. А если посчитать проводимость, то эквивалентный медному проводник из алюминия будет дешевле в 6,5 раз. Провода. Алюминий дешев, поэтому толстые силовые кабели, СИП, ЛЭП выгодно делать из алюминия.
Изоляторы
Материалы, которые не проводят электрический ток, такие как резина, стекло или тефлон, называются изоляторами.
Передача электроэнергии на большие расстояния требует больших финансовых затрат и соблюдения особых мер безопасности. Для уменьшения потерь энергии ток передаётся под очень большим напряжением от 10 до 700 кВ. Такое напряжение требует надёжной изоляции от пробоя. Для безопасной передачи электроэнергии по проводам применяют изоляторы. Безопасная работа ЛЭП и сохранение жизни и здоровья людей во многом зависит от качества материалов опор, проводов и особенно изоляционных материалов.
Средства индивидуальной защиты включает различные приспособления, устройства и инструмент, применяемый для обеспечения безопасности персонала при выполнении ремонтных или оперативных работ с токоведущими частями воздушных линий, распределительных устройств и другого электрооборудования. Средства защиты (СИЗ) используются для предотвращения опасного воздействия на организм человека электрического тока, дуги или электрического поля.
Средства защиты в электроустановках разделяются на две группы:
1 основные средства защиты от поражения током, к которым относятся средства, выдерживающие рабочее напряжение и допускающие касание токоведущих элементов оборудования (изолирующие оперативные штанги, указатели высокого и низкого напряжения, переносные заземления и т.д.);
2 дополнительные средства личной защиты от тока, объединяющие приспособления для усиления безопасности персонала, использующего основные защитные средства (диэлектрические галоши, боты, перчатки, коврики, дорожки и изолирующие перчатки).
Полупроводники
Существует третья категория материалов, чьи свойства проводимости находятся между проводниками и изоляторами. Материалы этой категории называются полупроводниками. К полупроводникам относятся материалы с проводимостью в диапазоне
Одни полупроводники являются чистыми элементными материалами (например, кремний или германий), другие— сплавами, еще другие — жидкостями.
Кремний
Самым важным полупроводником, используемым в производстве электронных устройств, является кремний. Другие полупроводниковые материалы, такие как германий и селен, используются намного реже. В чистом виде, уникальная атомная структура кремния обладает очень важными свойствами, полезными для использования в создании электронных устройств.
Кремний является вторым наиболее распространенным элементом в земной коре, составляя около 27% по массе. Но в природе кремний очень редко встречается в чистом виде; поэтому прежде чем его использовать для создания электронных устройств, его сначала необходимо очистить от примесей. Очищенный от примесей кремний расплавляют и формируют в массивный монокристалл, который нарезают на пластины, а затем используют для производства полупроводниковых устройств, в основном интегральных схем
Однако полученные пластины еще не годятся для производства полупроводниковых устройств, поскольку чистый кремний, из которого они изготовлены, не обладает свойствами полупроводника. Более того, чистый кремний является изолятором и не может изменять состояние проводимости при приложении внешней силы, как это делают полупроводники. Поэтому, чтобы придать кремниевым пластинам необходимые полупроводниковые свойства, при выращивании монокристалла в него добавляются специальные примеси. Этот процесс называется легированием.
Легирование
Как уже упоминалось, легирование — это добавление в кремний, из которого выращивается монокристалл, специальных примесей, изменяющих свойства проводимости кремния. В качестве легирующих примесей используются такие элементы, как сурьма, мышьяк, алюминий, галлий, бор или фосфор. Добавление примесей в кремний позволяет изменить такие его свойства, как частотные характеристики в зависимости от прилагаемого напряжения и теплостойкость. В области производства полупроводниковых устройств самыми важными легирующими примесями кремния являются бор и фосфор, которые существенно изменяют его электрическую проводимость. Чистый кремний не содержит свободных электронов, поскольку все его четыре валентных электрона удерживаются ковалентными связями с прилегающими атомами (рис. 4.5). Без свободных электронов прилагаемое электричество не будет вызывать в кремнии никакого потока электронов.
Если же в кремний добавить примесь фосфора, его свойства существенно изменятся. Фосфор имеет пять валентных электронов, а не четыре, как кремний. Четыре из них войдут в ковалентные связи с валентными электронами прилегающих атомов кремния (рис. 6). Но пятому электрону не останется места, и он будет свободно перемещаться между атомами.
Если теперь к противоположным концам легированного таким образом отрезка кремния приложить разность потенциалов, свободные электроны начнут мигрировать через кремний к концу с положительным потенциалом. Интенсивность потока электронов прямо пропорциональна количеству добавленного в кремний фосфора. Проводимость легированного фосфором кремния обеспечивается носителями отрицательного заряда (электронами), поэтому она называется проводимостью n-типа, а данный вид кремния — кремнием n-типа.
Если вместо фосфора в кремний добавить примесь бора, легированный таким образом кремний также будет обладать свойствами проводимости, но эта проводимость будет другого типа, чем при легировании фосфором (рисунок 7). Бор имеет только три валентных электрона, а не пять, как фосфор, или четыре, как кремний. При смешивании с кремнием все три валентных электрона бора вступают в ковалентную связь с прилегающими атомами.
Но при этом в ковалентных связях между атомами бора и атомами кремния остается одно свободное место, которое называется дыркой. Если теперь к противоположным концам легированного таким образом кусочка кремния приложить разность потенциалов, дырки начнут мигрировать через кремний к концу с отрицательным потенциалом, а соседствующие электроны будут занимать их места. Дырки считаются носителями положительного заряда, хотя сами они не содержат никакого физического заряда. По сути, всего лишь создается видимость наличия положительного заряда у дырок вследствие неравновесия зарядов между протонами ядра кремния с дыркой и электронами в его внешней орбитали. Общий заряд атома электрона с дыркой будет казаться более положительным на величину заряда, эквивалентного одному протону (или ’’отрицательному электрону”). Проводимость легированного бором кремния обеспечивается носителями положительного заряда (дырками), поэтому она называется проводимостью p-типа, а данный вид кремния — кремнием p-типа.
Таким образом, кремний как n-, так и p-типа может проводить электричество: первый с помощью лишнего несвязанного электрона (проводимость «n-типа), а второй с помощью дырок (проводимость p-типа).
Последний вопрос: почему дырка называется носителем положительного заряда?
Как ’’ничто” может переносить положительный заряд? Это можно объяснить следующим образом: при перемещении по состоящему в основном из кремния кристаллу дырка на короткое время изменяет силу электрического поля в кристалле вокруг атома кремния, в котором она находится в данный момент. Когда при переходе в соседнюю дырку электрон покидает валентную оболочку атома, в данном атоме создается новая дырка. Это означает, что у него не хватает одного электрона.
Поэтому будет ощущаться положительный заряд ядра данного атома кремния (т. к. количество протонов ядра на 1 больше, чем число электронов на орбиталях). Таким образом, дырки считаются носителями положительного заряда по причине этого положительного заряда протонов ядра.
Применение кремния
Может возникнуть вопрос: а чем собственно эти два типа (n и p-типы) кремния интересны и полезны? Какая от них практическая польза разработчикам электронных устройств? Ну, сделали мы из изолятора проводник, и что из этого? Важность заключается в способе пропускания тока этими проводниками — один делает это с помощью дырок, а другой с помощью электронов. Насколько это важно, мы увидим дальше.
Особенности проведения тока кремнием «n-типа (перемещение электронов) и p-типа (перемещение дырок) используется при изготовлении таких электронных устройств, как диоды, транзисторы, солнечные панели и, конечно же, микросхемы Для этого фрагменты кремния разной формы — пластины, стержни, кубики и т. п. — обоих типов проводимости объединяют различными способами, чтобы при подаче на эти структуры напряжения или тока получить определенные полезные свойства.
Эти свойства становятся возможными благодаря взаимодействию перемещений дырок и электронов между полупроводниками n и p-типа. Из обладающих этими свойствами кремниевых структур создаются специальные вентили, пропускающие ток только в одном направлении или закрывающие и открывающие каналы для протекания тока под управлением внешнего напряжения и/или тока. Так из полупроводниковых структур из кремния с разными типами проводимости создаются устройства, излучающие свет, или фотоны, под воздействием внешнего напряжения или тока, или наоборот, создающие электрический ток при воздействии на них света.
По мнению ведущих технических специалистов, силовая электроника является наиболее интенсивно развивающейся и перспективной областью техники. Интенсивное развитие в этой области обусловлено применением полупроводниковых приборов, базирующихся на эффекте электронно-дырочного перехода. В трудах института инженеров электротехники и электроники отмечается, что в 21 веке две технологии будут иметь значение – компьютеры и силовая электроника в электроприводе. Первая технология будет выполнять функции «разума», а вторая «мускулов». При этом специалисты в области силовой электроники считают, что основополагающим фактором ее развития является эффективность используемых электронных ключей. Новые технологии силовой электроники открывают большие перспективы перед развитием систем передачи электроэнергии.
