
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.

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.
Комментарии 40
Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.