Силовая электроника
Силовая электроника — область электроники, связанная с преобразованием электрической энергии, управлением ей или её переключением без управления (включением и отключением)[1]:5. При этом различие силовой и слаботочной электроники не в силе тока или мощности устройства (так, радиовещательный передатчик может быть в тысячи раз мощнее электропривода станка), а в назначении — задача слаботочной техники — точно воспроизвести на приемном конце форму сигнала, потери энергии при этом интересуют во вторую очередь; в случае с силовой техникой в первую очередь ставится задача уменьшения потери энергии при передаче.[2]
Принцип работы преобразователей в силовой электронике основан на периодическом включении и выключении вентилей.[3]:14
История
[править | править код]
Потребность в силовой электронике возникла после появления первых источников электроэнергии в связи с необходимостью управления токами и напряжениями источников[1]:7. Появление трансформаторов позволило повышать или понижать напряжение переменного тока для потребителя. Создание электронных ламп (электровакуумных диодов) позволило преобразовывать переменный ток в постоянный без использования электромашинных преобразователей[1]:8. Появление ламповых триодов позволило преобразовывать постоянный ток в переменный[1]:9. Создание же ртутных вентилей позволило повысить преобразуемую мощность и используемое напряжение. К концу 1950-х годов преобразователи могли работать при напряжении до 1 кВ и токах до 900 А[1]:10, в 50-х — 60-х годах было освоено производство полупроводниковых приборов: диодов, тиристоров.[1]:12
В истории силовой электроники можно выделить два периода: изобретение в 1901 ртутного вентиля и появление в 1958 тиристора — начало твердотельной силовой электроники. В настоящее время электроника, как правило, имеет дело с полупроводниками.[4]
До недавнего времени карбид кремния (SiC) оставался безальтернативным вариантом для высоковольтных (свыше 600 В) мощных приборов, где необходимы высокие эффективность, мощность, быстродействие и температура эксплуатации. Из новых материалов полупроводниковой микроэлектроники для интегральных микросхем и изделий силовой электроники наибольший интерес представляет группа широкозонных полупроводников, и в первую очередь нитрид галлия (GaN), SiC, оксид галлия Ga2O3, алмаз. И в связи с решением технических проблем получения более дешевых гетероструктур GaN-Si большого диаметра и толщины — нитрид галлия не только вытесняет кремниевые приборы, но и становится альтернативой SiC в высоковольтных мощных приложениях. Универсальность применения GaN в мощных полупроводниках, ИС, светодиодах делает его наиболее перспективным среди новых материалов микроэлектроники.[5]. Нитрид галлия сейчас является одним из самых востребованных и перспективных материалов в современной силовой электронике, по прогнозам ведущих аналитиков отрасли, среднегодовой темп роста мирового рынка силовой электроники на нитриде галлия в 2022—2024 годах составит 85 %.[6]
Примерно пятую часть мирового рынка силовой электроники контролируют известные японские компании, такие как Mitsubishi Electric, Toshiba и Fuji Electric[англ.][7].
Применение
[править | править код]
- Преобразовательная техника
Основными видами преобразования электроэнергии являются:
- выпрямление;
- инвертирование;
- преобразование частоты переменного тока.[1]:25
См. также
[править | править код]- Элементная база силовой электроники (Power semiconductor device[англ.])
- Direct Bonded Copper
- СВЧ-электроника
Примечания
[править | править код]- ↑ 1 2 3 4 5 6 7 Розанов Ю. К. Силовая электроника. Эволюция и применение — М.: Знак, 2018
- ↑ Бабат Г. И. Электричество работает — МЛ: Госэнергоиздат, 1950 с.61
- ↑ Лабунцов В. А. (ред.) Энергетическая электроника — М.: Энергоатомиздат, 1987
- ↑ Предисловие//Силовая электроника: краткий энциклопедический словарь терминов и определений — М.:Издательский дом МЭИ, 2008
- ↑ Боднарь Дмитрий. Нитрид галлия — премьер среди новых материалов полупроводниковой микроэлектроники Архивная копия от 27 июня 2022 на Wayback Machine // Компоненты и технологии № 4 ’2018
- ↑ Первое в России производство транзисторов на основе нитрида галлия откроют в Москве // 5.08.2022
- ↑ Полупроводники нового поколения позволят поднять запас хода электромобилей на 10 % Архивная копия от 24 августа 2022 на Wayback Machine // 3DNews Daily Digital Digest, 24.08.2022