Кандидат физико-математических наук, ассистент каф. физики полупроводников, электроники и наноэлектроники физического факультета ННГУ им. Н.И. Лобачевского - Алёна Андреевна Никольская
Прежде, чем перейти к определению силовой электроники, необходимо вспомнить, а что же такое электроника в принципе. На пальцах, мы знаем, что электроника – это что-то про протекание тока по проводам прямо в аккумулятор телефона или что если подключить холодильник к розетке, то в нем можно хранить мороженое. В школе мы узнаем, что существуют разные схемотехнические компоненты (такие как резисторы, катушки индуктивности, конденсаторы, источники тока и другие), которые и помогают приборам работать, а также узнаем фундаментальные законы, по которым они работают – это законы Ома и Кирхгофа, правило буравчика и другие.
А что же такое силовая электроника, чем она отличается от обычной и в чем ее преимущества?
Начиная с середины прошлого века были созданы первые электронные приборы, способные выдерживать существенные электрические токи и напряжения с минимальными потерями, что принципиально важно при управлении большими потоками энергии. Широкое применение таких приборов привело к появлению нового вида техники – силовой электроники.
Итак, силовая электроника отличается от традиционной величиной мощности, с которой она работает, а также направленностью на эффективное управление большими потоками энергии и минимизацию потерь. Образно выражаясь, силовая электроника является мускулами XXI века.
Области применения современной силовой электроники включают в себя: электрические и гибридные автомобили, а также зарядные станции для них; электропоезда метрополитена и локомотивы; системы управления электростанциями; аппараты искусственной вентиляции легких, медицинские лазеры; изделия силовой электроники нашли свое применение также и в повседневной жизни, в частности, в бытовой технике и гаджетах (рис. 1).
Ключевые компоненты силовой электроники включают в себя:
- Конденсаторы и катушки индуктивности: для фильтрации и накопления энергии.
- Драйверы: электронные схемы, управляющие работой силовых переключателей.
- Силовые полупроводниковые приборы: транзисторы, тиристоры и диоды.
- Трансформаторы и дроссели: для преобразования напряжения.
- Силовые шины и разъемы: для передачи больших токов.
- Системы охлаждения: для отвода тепла, выделяемого при работе силовых компонентов.
Считается, что силовая электроника зародилась в 1903 году, когда Питер Купер Хьюитт (американский инженер-электрик и изобретатель) изобрел катодный ртутный дуговой выпрямитель, также известный как игнитрон.
Игнитрон – это ионный прибор, использующий дуговой разряд в парах ртути для преобразования переменного тока в постоянный. Он состоит из ртутного катода, анода и вспомогательных электродов, помещенных в вакуумную среду. При подаче напряжения на катод, ртуть нагревается и испаряется, образуя пары ртути. При подаче напряжения между анодом и катодом возникает дуговой разряд. При этом ток течет только в одном направлении – от анода к катоду, что и обеспечивает выпрямление. Эти выпрямители сразу же нашли применение для зарядки аккумуляторов.
В 1933 году Джозеф Слепян (американский математик и инженер-электрик) изобрел игнитронную трубку, которая могла выдерживать бОльшую мощность при высоком напряжении. Такие трубки были популярны в железнодорожных электроприводах постоянного тока.
В 1956 году компанией Bell Labs был представлен первый полупроводниковый тиристор. Это изобретение стало началом новой электронной революции, или эпохи современной силовой электроники. Широкое применение тиристоров и диодов началось, например, в источниках питания постоянного и переменного тока, а также для преобразования постоянного тока в переменный от солнечных фотоэлектрических ячеек и ветряных электростанций.
Тиристор – это полупроводниковый прибор, который используется для управления потоком электрического тока. Он работает как электронный ключ, имея два устойчивых состояния: закрытое (сопротивление велико, ток не течет) и открытое (сопротивление мало, ток течет).
Постепенно появились и другие силовые приборы. Силовые полевые транзисторы были представлены в 1970-х годах и остаются популярными по сей день для маломощных высокочастотных приборов. Они стали незаменимыми в самых разных областях применения: от мелкосерийной бытовой электроники до крупномасштабных промышленных и возобновляемых источников энергии.
В те же годы правительство США заключило с компанией General Electric многомиллионный контракт на разработку электромобилей. После арабского нефтяного эмбарго бензин стал дефицитным, а его цена резко выросла. Электромобили, возможно, могли бы решить эту проблему, по крайней мере, для поездок на небольшие расстояния. Конечно, прототипы первых электромобилей существовали и ранее, однако они обладали существенными недостатками, которые не позволяли их массовое использование.
Принцип работы электромобиля основан на преобразовании электрической энергии в механическую энергию вращения, заставляющую колеса вращаться и приводить автомобиль в движение. Силовая электроника при этом управляет потоком электроэнергии между батареей и электродвигателем, обеспечивая оптимальную производительность и эффективность.
К сожалению, производство электромобилей до сих пор ограничено, в основном из-за проблем создания для них мощных аккумуляторов. Используемые сейчас литий-ионные аккумуляторы, во-первых, дорогие, а во-вторых, их довольно сложно утилизировать, а их производство имеет экологические последствия, включая выбросы парниковых газов.
Выбросы парниковых газов в результате деятельности человека считаются основной причиной глобального потепления. Силовая электроника играет важнейшую роль в решении и этой проблемы. Значительную часть наших потребностей в энергии можно удовлетворить за счёт экологически чистых возобновляемых источников энергии, таких как ветер, солнце, геотермальная энергия, биотопливо и топливные элементы (рис. 2). Как ветровые, так и фотоэлектрические источники требуют накопления энергии. Все основные методы накопления энергии (например, использование аккумуляторов) в значительной степени зависят от силовой электроники.
Ещё одним популярным применением силовой электроники являются высокочастотные компактные люминесцентные лампы, которые в четыре раза эффективнее ламп накаливания; кроме того, они имеют более длительный срок службы (в десять раз дольше, чем лампы накаливания). В результате общая экономия энергии оказывается существенной, поскольку около 24% энергии, потребляемой из сети, потребляется на освещение.
Еще одним интересным вопросом является то, чем определяется эффективность силовых приборов?
Пожалуй, одним из основных элементов электроники (не только силовой) является транзистор. Его назначение простое: он позволяет с помощью слабого сигнала управлять гораздо более сильным, что позволяет ему работать как усилитель или переключатель. В частности, его можно использовать как управляемую «заслонку»: отсутствием сигнала на затворе блокировать течение тока, подачей – разрешать. Иными словами, это кнопка, которая нажимается не пальцем, а подачей напряжения.
К важным параметрам транзистора относятся: максимальное напряжение и ток, которые он может выдержать, его коэффициент усиления, а также напряжение пробоя: напряжение, превышение которого приводит к необратимому повреждению транзистора.
Итак, эффективность силовых приборов можно определить эффективностью используемых элементов, например, транзисторов, а эффективность транзисторов главным образом определяется свойствами материала, из которого он сделан.
Ранее (да в общем-то и сейчас) вся электроника базировалась на кремнии. Кремний – это полупроводник, пластины которого изготавливаются из обычного песка, поэтому первым очевидным его преимуществом является его распространенность – он является вторым по распространенности элементом в земной коре после кислорода. Отсюда вытекает другое преимущество – его низкая стоимость.
До некоторого времени кремниевые транзисторы имели высокую надежность и стабильность работы. Однако с увеличением мощностей приборов и переходом к силовой электронике кремний перестал полностью удовлетворять потребности производителей. Во время работы при больших напряжениях в кремниевых транзисторах возникают высокие потери энергии, что снижает их КПД. Кроме того, кремниевые транзисторы имеют низкую электрическую прочность и стабильность параметров при повышенных температурах, что ограничивает их применение в жестких условиях.
Последний прорыв в области силовой электроники связан с такими материалами, как карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN). Эти материалы обеспечивают превосходные характеристики при более высоких напряжениях, температурах и частотах переключения по сравнению с традиционными кремниевыми транзисторами.
Например, карбид кремния прибавил электромобилям Tesla 10 % к пробегу от батареи и сократил время зарядки на 50%. Это является важным шагом для развития умных городов. А приборы из нитрида галлия предназначены главным образом для высокочастотных устройств, например, для работы в сетях мобильной связи 5G. В конечном счете эти новые материалы позволяют сделать электронные приборы более компактными и легкими, снизить потери, обеспечить работу при более высоких токах, напряжениях, мощностях, частотах, температурах и в неблагоприятных внешних условиях, а также упростить систему охлаждения.
Сейчас такая силовая электроника применяется в легковых электромобилях. Затем это будет грузовой транспорт, возобновляемая энергетика, линии электропередачи, информационно-коммуникационная техника, центры обработки данных, ж/д транспорт. В отдаленной перспективе появятся электрические самолеты и морские суда.
Но, несмотря на свою многообещающую перспективность, приборы на основе карбида кремния и нитрида галлия всё ещё сталкиваются с проблемами, связанными с долговременной надёжностью и масштабируемостью производства. Миниатюризация преобразователей энергии остаётся важнейшей задачей для снижения затрат и более широкого внедрения технологий возобновляемых источников энергии, что требует постоянных инноваций в области материалов и схемотехники.
Поэтому следующим шагом в процессе усовершенствования силовой электроники является исследование материалов следующего поколения, таких как алмаз и оксид галлия, которые позволяют создавать устройства, работающие при высоких напряжениях, таких как транзисторы с рабочим напряжением выше 1000 вольт.
Какие же еще инновации ждут силовую электронику?
Искусственный интеллект готов произвести революцию в силовой электронике благодаря тому, что называют «когнитивной силовой электроникой». Прогнозируется, что интеллектуальные силовые модули превратятся в системы, способные осуществлять мониторинг состояния приборов в режиме реального времени. Например, инвертор может уведомлять операторов о возможном выходе из строя транзистора за несколько дней до этого. Данные с датчиков температуры в режиме реального времени позволят системам на базе искусственного интеллекта определять оптимальный подход к охлаждению приборов.
Интеллектуальные сети также могут лучше интегрировать распределенные источники энергии, такие как домашние солнечные панели, снижая зависимость от традиционных электростанций. Например, система управления энергопотреблением интеллектуальной сети может использовать прогнозы погоды для прогнозирования производства солнечной или ветровой энергии и соответствующим образом корректировать нагрузку на сеть.
Получится ли у исследователей произвести новую революцию в силовой электронике? Увидим в ближайшем будущем!
Список используемой литературы:
[1] А.А. Лебедев, В.Е. Челноков / Широкозонные полупроводники для силовой электроники // Физика и техника полупроводников. – 1999. – Т. 33, Вып. 9. – С. 1096-1099.
[2] В. Ланцов, С. Эраносян / Интеллектуальная силовая электроника: вчера, сегодня, завтра // Силовая электроника. – 2007. – №1. – С. 4-7.
[3] B. K. Bose / The past, present, and future of power electronics // IEEE Industrial Electronics Magazine. – 2009. – Vol. 3(2). – P. 7-14.
[4] J. D. Wyk, F.C. Lee / On a Future for Power Electronics // IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics. – 2013. – Vol. 1(2). – P. 59 - 72.
[5] М. Макушин / Тенденции развития силовой электроники // Электроника. – 2019. – № №8 (00189). – С. 50-55.
[6] Д. Боднарь / Полупроводниковая микроэлектроника – 2021 г. Часть 2. SiC и GaN – основа новой силовой электроники настоящего и будущего // Электронные компоненты. – 2022. – №1. – С. 6-16.
[7] «Новый фаворит: широкозонные полупроводники» // Вестнику атомпрома. – 2023. – https://atomvestnik.ru/2023/09/27/novyj-favorit-shirokozonnye-poluprovodniki/
[8] J. Oncea / The Promising Future Of Power Electronics // RF Globalnet. – 2024. www.rfglobalnet.com
[9] Интервью с A. Gerfer and M. Haug из Würth Elektronik eiSos (Германия). "A Look at the Future of Power Electronics", 2024. https://eepower.com/
[10] M.P. Emilio / Power Electronics: Advances on the Horizon for 2025 // eBook: Power Electronics News. – 2024.
[11] G. F. Brescia / The Future of Power Electronics in Renewable Energy // eBook: Power Electronics News. – 2024.
При грантовой поддержке Минобрнауки России в рамках Десятилетия науки и технологий
