Силовые полупроводники на страже экологии

Для того чтобы снизить выбросы CO2 в атмосферу, необходимо отказаться от использования тепловых электростанций и перейти на экологически чистую энергетику. Такой переход нельзя произвести одномоментно, сначала нужно повысить эффективность использования уже вырабатываемой электроэнергии, снизить её потери во время транспортировки к потребителю и преобразования в различные формы. Ключевым элементом для решения этих задач является силовая электроника и силовые полупроводниковые приборы.

Так как решения для энергетики являются одним из важнейших сегментов нашего бизнеса, мы считаем важным рассказать о том, как наша работа помогает сделать мир чище. В частности силовые полупроводники, которые мы производим, позволяют серьёзно экономить электричество и в итоге отказаться от строительства экологически вредных электростанций. Давайте разберёмся, чем же силовые полупроводники отличаются от обычных и выясним, какие их свойства позволяют экономить электричество и снижать выбросы CO2.

Особенности силовых полупроводниковых устройств

Если не углубляться в теорию, то силовые полупроводниковые устройства — это те же диоды, транзисторы и тиристоры, модифицированные с учётом сферы их применения. В отличие от микроэлектронных устройств силовые полупроводники используются при токах в десятки, сотни и тысячи ампер, напряжениях в сотни мегавольт. Такие нагрузки требуют специфических конструктивных решений, чтобы исключить пробой p-n-перехода.

Например, основу мощного силового диода составляет тонкая пластина монокристалла кремния, в которой сформирован p-n переход. Чтобы пластина не растрескалась от нагрева, её серебряным припоем припаивают к термокомпенсирующим дискам из вольфрама или молибдена толщиной до 3 мм. Получившийся «бутерброд» помещают в герметичный корпус штыревой или таблеточной конструкции.

Конструкция штыревого диода. Источник

Основной элемент для преобразования электроэнергии больших мощностей — десятки мегавольт и выше — высоковольтный тиристор. Структурно он состоит из четырёх слоёв кремния с чередующейся проводимостью, на границе которых образуются три p-n перехода. Два крайних перехода — анод и катод, а средний — управляющий.

У тиристора есть два устойчивых состояния: «открыто» (ток проходит) и «закрыто» (тока нет). Состояние изменяется под воздействием напряжения на управляющем электроде. Само переключение происходит очень быстро, хоть и не мгновенно. В схемах переменного напряжения тиристор будет пропускать только одну полуволну — верхнюю. Когда приходит нижняя полуволна, он сбрасывается в состояние «закрыто». Это свойство тиристора используется в импульсных блоках питания для преобразования синусоиды в импульсы.

На базе тиристоров создаются сверхмощные преобразователи в линиях электропередач (ЛЭП) постоянного тока, вставки постоянного тока между энергосистемами, статические компенсаторы реактивной мощности в ЛЭП переменного тока.

Устройство высоковольтного тиристора. Источник

Основные потребители электроэнергии работают с мощностями ниже мегавольта. Наиболее распространённый силовой элемент для этого диапазона — биполярно-полевой транзистор, Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT. IGBT — силовая интегральная схема из множества элементарных ячеек. Каждая ячейка состоит из высоковольтного биполярного транзистора с включённым в цепь управления полевым транзистором. Достоинства IGBT — небольшая потребляемая мощность в цепи управления для включения и выключения и высокое быстродействие.

Для построения преобразователей малой мощности используются МОП-транзисторы, metal-oxide-semiconductor field effect transistor, MOSFET. Эти устройства также выполнены в виде силовой интегральной схемы, содержащей сотни тысяч транзисторных ячеек. Рабочее напряжение для МОП-схем, как правило, меньше 500 В, рабочий ток — до сотен ампер.

Где и почему применяются полупроводниковые устройства

Промышленные установки

Благодаря экономичности, управляемости и высокому КПД силовые полупроводниковые устройства повышают эффективность преобразования электроэнергии. Устройства плавного пуска, источники бесперебойного питания, электродвигатели и различные электроустановки потребляют меньше и работают дольше благодаря использованию силовых электронных компонентов.

В устройствах, содержащих электродвигатель, более половины потребляемого электричества тратится на обеспечение его вращения. Регулируемый полупроводниковый преобразователь частот позволяет сократить расход электричества на 30% без ухудшения других характеристик.

Электрические сети

Использование полупроводниковых преобразователей при транспортировке и распределении электричества позволяет экономить до 25% электричества. Таким образом, повсеместное внедрение полупроводниковых силовых компонентов позволяет отказаться от строительства новых электростанций и обойтись мощностями уже работающих.

Солнечные электростанции

Электроэнергию, полученную от солнечных батарей, нужно преобразовать для передачи в электросети или для использования в бытовых целях. Применение силовых полупроводниковых устройств для управления солнечными электростанциями повышает эффективность их работы.

Электротранспорт

Электромобили используют энергию, запасённую в аккумуляторных батареях. Благодаря использованию силовой электроники преобразование энергии для нужд различных потребителей в автомобиле происходит с минимальными потерями. А технология рекуперации позволяет пустить энергию торможения на подзарядку аккумуляторов и увеличить пробег.

Причём интересно, что бурное развитие электротранспорта заставило производителей полупроводниковых устройств искать новые, более энергоэффективные материалы для создания новых силовых компонентов. По данным аналитических исследований, полупроводниковая промышленность в массовом порядке переводит свои мощности на использование карбида кремния и нитрида галлия вместо обычных кристаллов кремния.

Силовые элементы, изготовленные из новых материалов, значительно компактнее традиционных кремниевых, что позволяет говорить о том, что блоки питания нового поколения станут меньше на 80-90%. Кроме того, соединения с использованием этих материалов имеют в 10 раз большую удельную мощность, работают на более высоких частотах и в большем диапазоне температур, а уровень сопротивления в открытом состоянии и токи утечки существенно ниже, чем у кремниевых собратьев.

Перспективы

Правительства многих стран принимают программы снижения выбросов двуокиси углерода в атмосферу. Например, правительство Испании планирует к 2030 году уменьшить выбросы CO2 на 20%, а к 2050 году на 90% от уровня 1990 года. Роль флагмана по снижению выбросов отведена электроэнергетике, а трансформацию других отраслей планируется провести позже.


План снижения выбросов CO2 по секторам промышленности. Испания, 2019 год. Источник

Предполагается, что к 2030 году мощность национальной электроэнергетики должна достичь 157 ГВт. Из них 50 ГВт будут обеспечивать ветроэлектростанции, а 37 ГВт —фотоэлектрические солнечные электростанции, 27 ГВт — парогазовые мощности.
Кроме того, пакет законов предполагает, что с 2040 года в Испании можно будет купить только автомобили с нулевыми выбросами.

Аналогичные пакеты законов уже приняты или находятся в процессе рассмотрения в странах Евросоюза. Это значит, что в ближайшие десятилетия можно ожидать бурного роста продаж силовых полупроводниковых устройств, поскольку без них реализация запланированных мер по улучшению экологической обстановки просто невозможна.