CC BY
7В ENERGY
BULLETIN № 21, 2016
биполярный транзистор с изолированным затвором: точный контроль мощности и потока энергии
Б. Джаянт Балига (В. Jayant Baliga),
Университет штата Северная Каролина, США Лауреат Международной энергетической премии «Глобальная энергия» 2015 года
Аннотация: Изобретение и коммерциализация биполярного транзистора с изолированным затвором (БТИЗ) дало начало новому семейству дискретных устройств, которые используются ежедневно во всех сферах человеческой жизни, где необходима электроэнергия. Разработка позволила существенно повысить эффективность использования энергии и открыла новые возможности для ее экономии.
Ключевые слова: Биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ), энергетическая эффективность, экономия энергии, цена электроэнергии.
Джаянт Балига родился в 1948 году в Индии. В 1969 году получил степень бакалавра электротехники в Индийском технологическом институте (г. Мадрас), в 1971 году - степень магистра, в 1974 году - доктора наук в Политихническом институте Ренсселера (г. Нью-Йорк). С 1974 по 1988 годы занимался
исследованиями в научно-исследовательском центре General Electric (г. Скентектади, шт. Нью-Йорк). Под его руководством группа из 40 ученых исследовала силовые полупроводниковые приборы и высоковольтные интегральные схемы. В 1988 году Балига стал профессором Университета Северной Каролины, где в 1997 году получил высшее звание - заслуженный профессор Университета электротехники. В 1991 году основал Научно-Исследовательский Центр силовых полупроводников. Является его директором. В 1993 году избран иностранным членом Национальной академии инженерных наук (постоянным ее членом стал в 2000 году). С 2005 года член Европейской академии наук. В 1999-2000 годах основал 3 компании с целью лицензирования и коммерциализации своих открытий: Giant Semiconductor Corporation, Micro-Ohm Corporation, Silicone Wireless Corporation (переименованную затем в Silicon Semiconductor Corporation).
Джаянт Балига, лауреат премии «Глобальная энергия», присуждённой ему в 2015 году за изобретение, разработку и коммерциализацию биполярного транзистора с изолированным затвором (БТИЗ), отвечает на вопросы «Энергетического вестника», касающиеся его научно-технических разработок. Он является профессором Университета штата Северная Каролина, США, основателем и руководителем нескольких научно-технологических центров, а также членом престижных международных и национальных научных и инженерных обществ и академий.
Данный материал для публикации подготовлен в сотрудничестве с пресс-службой Премии «Глобальная энергия».
«Энергетический вестник» (ЭВ): Уважаемый профессор Балига, в 2015 году вы были удостоены премии «Глобальная энергия» за изобретение,
В ENERGY BULLETIN
разработку и коммерциализацию биполярного транзистора с изолированным затвором, который является одной из наиболее важных инноваций в области управления и распределения электроэнергии. «Энергетический вестник», международный журнал, публикуемый Международным центром устойчивого энергетического развития (МЦУЭР) под эгидой ЮНЕСКО, поздравляет вас с тем, что вы в очередной раз получили признание ваших выдающихся достижений в научно-исследовательской работе в сфере энергетики. ЭВ стремится содействовать лучшему пониманию концепции устойчивого энергетического развития, и созданию условий для его осуществления на основе использования современных научных знаний и технологий, а также внести свой вклад в повышение компетенции общества в этой области.
Изобретя БТИЗ, вам удалось успешно соединить электронику и электротехнику, и дать начало новому семейству дискретных устройств, которые используются ежедневно во всех сферах человеческой жизни, где необхиодима электроэнергия. Не секрет, что ваше изобретение позволило существенно повысить эффективность использования энергии и открыло новые возможности для ее экономии. Именно поэтому оно представляет собой один из крупнейших вкладов в устойчивое развитие, в том числе энергетическое, поскольку все сходятся во мнении, что устойчивое энергетическое развитие должно, по большей части, основываться на методах повышенного энергосбережения и масштабном применении новых источников энергии, в основном -возобновляемых.
ЭВ уверен, что его читателям будет интересно узнать больше о БТИЗ, его дальнейших разработках и сферах применения, а также о ваших творческих планах.
Поэтому ЭВ хотел бы задать вам несколько вопросов в этой связи.
Как было упомянуто ранее, изобретя и в дальнейшем осуществив технологическое развитие БТИЗ, вам удалось объединить два важных направления научно-технических знаний - электронику и электротехнику. Не могли бы вы объяснить в двух словах, что такое БТИЗ и как он работает?
Профессор Б. Джаянт Балига (Дж. Б.): Биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ) - это полупроводниковый переключатель,
который я создал, объединив принципы работы МОП*-транизисторов и биполярных транзисторов. Биполярный транзистор позволяет устройству работать с очень высокой мощностью, будучи размещенным в небольшой и недорогой полупроводниковой схеме. МОП-структура делает управляющие электронные схемы очень простыми и дешевыми. Изобретенное устройство точно контролирует мощность и поток энергии, переводя управление потреблением мощности с аналогового на цифровое регулирование.
ЭВ: Все ученые мечтают о том, чтобы результаты их исследовательской работы применялись на практике с выходом на рынки, но не всем удается реализовать свою мечту. Серийное производство БТИЗ началось всего лишь через 10 месяцев после изобретения, что является рекордом среди других инновационных разработок. И всего этого удалось добиться, несмотря на критические отзывы о БТИЗ непосредственно после выхода на серийное производство! Как вам удалось успешно осуществить коммерциализацию, и какие отрасли были задействованы в этом процессе?
дж. В.: Большинство инноваций в сфере полупроводников требуют разработки новых производственных процессов, что замедляет процесс коммерциализации и повышает стоимость производства ввиду потребности в финансовых вложениях в новое оборудование. Мое инновационное изобретение обеспечивает невероятное повышение производительности, и мне удалось спроектировать его так, что для его изготовления могли быть использованы существующие линии производства полевых МОП-транзисторов** высокой мощности. Для этого требовалась лишь небольшая модификация этих линий. Учитывая, что БТИЗ мог быть эффективно использован в широком спектре продукции компании «General Electric», мне удалось набраться смелости, чтобы убедить генерального директора Джека Уэлча (Jack Welch) поддержать мою идею, хотя на тот момент она еще не была реализована. Благодаря безупречному исполнению конструкции схемы и методов обработки я смог создать первые устройства в течение 10
* МОП - металл-оксид-полупроводник
** Полевой МОП-транзистор - тип транзистора, предназначенный для усиления или переключения электронных сигналов
ENERGY BULLETIN
Большинство инноваций в сфере полупроводников требуют разработки новых производственных процессов, что замедляет процесс коммерциализации и повышает стоимость производства ввиду потребности в финансовых вложениях в новое оборудование.
месяцев и продемонстрировать обещанные характеристики.
ЭВ: Не могли бы вы вспомнить, какое изделие было впервые выполнено с применением БТИЗ и выведено на рынок, а также другие изделия, последовавшие за ним?
Дж. В.: Первым изделием, выпущенным компанией «General Electric» с интегрированным БТИЗ, был привод двигателя с регулируемой частотой вращения для тепловых насосов производства компаний «Trane» и «Carrier». После этого в производство были запущены средства числового управления для автоматизации в виде устройств ввода/вывода «Genius», предназначенные для строительства первого завода по сборке автомобилей «Saturn» компании «General Motors». Затем он использовался в изделиях, производимых подразделениями «General Motors», занимающимися изготовлением приборов освещения, мелкой бытовой техники (миксеры, тостеры и пр.), круп-
ной бытовой техники (холодильники, стиральные машины и пр.) и медицинского оборудования (приборы компьютерной осевой томографии (CAT) и магнитно-резонансной томографии (МРТ)).
ЭВ: Не могли бы вы рассказать нашим читателям о применении изделий на базе БТИЗ в различных сферах энергетики и сопутствующих отраслях, таких как выработка электроэнергии, ее доставка потребителям и распределение, а также о преимуществах использования БТИЗ?
Дж. В.: Сегодня БТИЗ применяются почти в каждом секторе экономики. Среди них можно назвать: потребление энергии на бытовом и других уровнях, промышленность, медицина, освещение, транспорт, а также возобновляемая энергетика и другие.
ЭВ: Мы знаем, что ваше изобретение и основанные на нем изделия нашли применение почти во всех сферах человеческой деятельности, где
В ENERGY BULLETIN
используется электричество. Расскажите, пожалуйста, об этих сферах применения. Также было бы интересно узнать, насколько удалось сократить потребление энергии в этих сферах.
Дж. Б.: Благодаря БТИЗ удалось реализовать бесконтактную систему зажигания. Это позволило сократить потребление бензина как минимум на 10%, благодаря использованию обеднённых топливных смесей. За последние
25 лет потребление бензина сократилось на 1,5 триллиона галлонов. Благодаря БТИЗ также удалось создать приводы двигателей с регулируемой частотой вращения, что привело к повышению эффективности на 40%. Учитывая, что две трети электричества потребляются электродвигателями, за последние 25 лет экономия электроэнергии составила 57 000 тераватт-часов. Кроме того, БТИЗ позволил создать компактные люминесцентные лампы (КЛЛ), которые на 75% более эффективны, чем лампы накаливания. Поскольку одна пятая электричества потребляется приборами освещения, за последнюю четверть века удалось сократить потребление на 16 000 тераватт-часов, что привело к экономии 23,7 триллионов долларов США.
ЭВ: Как вы знаете, одной из целей развития в 21-ом веке является искоренение бедности, включая энергетическую бедность. В настоящее время более чем у 1,5 миллиардов человек отсутствует возможность пользоваться современными источниками энергии и, в первую очередь, источниками электроэнергии. Маловероятно, что энергетическое развитие бедных регионов будет основано исключительно на возобновляемых источниках или иных экологически чистых источниках энергии. Кроме того, экономическое и социальное развитие будет сопровождаться развитием транспортных систем и автомобилизацией во многих странах и регионах. Применение БТИЗ в данных секторах уже дало превосходные
результаты. Не могли бы вы рассказать о сферах и результатах применения, а также о дальнейших перспективах, связанных с процессами глобального развития?
Дж. Б.: Применение энергосберегающих технологий в развивающихся странах является выгодным, поскольку такие технологии позволяют снизить стоимость электричества для потребителей. Кроме того, сокращается и потребность в инвестициях для строительства новых электростанций. Благодаря БТИЗ произошли улучшения (см. вопрос выше), приведшие к устранению 1 366 электростанций и экономии в 4 триллиона долларов США за последние 25 лет. Для сокращения объемов потребления электроэнергии во многих развивающихся странах введено обязательное использование КЛЛ.
ЭВ: Проведенная в конце 2015 года в Париже (Франция) Конференция ООН по изменению климата (или 21-ая сессия Конференции сторон рамочной конвенции ООН по изменению климата) привела к принятию «Парижского соглашения» в рамках Рамочной конвенции ООН об изменении климата. Это соглашение, за которое проголосовали 196 представителей государств-членов ООН, должно вступить в силу в 2016-2017 годах в процессе его ратификации сторонами. Оно представляет собой политический документ исключительной важности, в котором были окончательно определены и согласованы способы и средства стабилизации изменений климата нашей планеты. Согласно этому документу, рост глобальной средней температуры на Земле не должен превышать 2 градуса Цельсия сверх доиндустриального уровня. Кроме того, соглашение предусматривает принятие мер для ограничения роста температуры до 1,5 градусов Цельсия. Для выполнения этих задач необходимо существенным образом сократить выбросы парниковых газов и обеспечить возможности развития без влияния на климат. Эти задачи накладывают большую ответственность на представителей науки и техники, особенно в энергетическом секторе. БТИЗ уже доказал свою полезность и потенциальную возможность существенного сокращения выбросов углекисло-
Изобретенное устройство обеспечивает возможность точного контроля мощности и потока энергии и позволяет осуществить революционный переход от аналоговых средств управления потреблением мощности к цифровым.
ENERGY BULLETIN
го газа путем энергосбережения. Будем благодарны, если вы сможете рассказать в двух словах, насколько удалось сократить объемы выбросов парниковых газов, и что могут предложить технологии на базе БТИЗ в средне- и долгосрочной перспективе, т.е. как они могут помочь человечеству выполнить указанные задачи.
Дж. Б.: Благодаря сокращению потребления бензина на 1,5 триллиона галлонов выбросы углекислого газа упали на 28,7 триллионов фунтов. Сокращение потребления электричества на 73 000 тераватт-часов привело к падению объемов выбросов углекислого газа на 80 триллионов фунтов.
И эти цифры являются результатом применения только 50% доступных приводов двигателей с регулируемой частотой. Поэтому в будущем имеются большие возможности дальнейшего энергосбережения благодаря использованию БТИЗ. Кроме того, БТИЗ применяется для использования возобновляемых источников энергии, таких как солнце и ветер, а также используется во всех новых электрических и гибридных автомобилях. Данные технологии позволят еще больше сократить объемы выбросов углекислого газа в будущем.
ЭВ: В Парижском соглашении особо подчеркивается роль повышения компетенции нашего общества в вопросах изменения климата. Сюда входят программы образования и подготовки специалистов, которые, как мы ожидаем, будут проводиться во всех сферах человеческой деятельности, в особенности - в сфере энергетики, транспорта и потребления. Именно поэтому обучение и подготовку в данном вопросе необходимо проводить на всех уровнях образовательной системы, особенно в университетах и учреждениях профессиональной подготовки. Вам повезло получить образование в образовательных научно-инновационных центрах Индии и США. По-
литехнический институт Ренсселера (Нью-Йорк, США) дал вам возможность не только получить электротехническое образование, но и развить ваши творческие способности и положить начало фантастической научно-инновационной карьере. Мы надеемся, что ваш личный научно-технический опыт послужит примером для молодежи. Именно поэтому ЭВ с воодушевленем воспринял новость о том, что денежную часть премии «Глобальная энергия» вы решили пожертвовать указанному выше институту для нескольких образовательных и исследовательских грантов для одаренных выпускников университетов. Это должно рассматриваться как непосредственный вклад в повышение интеллектуального потенциала общества для сокращения влияния на климат. Будем благодарны, если вы расскажете нашим читателям об этом решении, условиях отбора получателей грантов (если таковые уже имеются), областях исследований, которые будут проводиться ими в Политехническом институте Ренсселара, а также другие сведения об этих программах.
Дж. Б.: Часть денег, которые я получил вместе с премией «Глобальная энергия», я передал Политехническому институту Ренсселара по той причине, что этот университет дал мне возможность закончить университетское образование, которое легло в основу моей карьеры. Стипендия, которую я учредил в Политехническом институте Ренсселара, позволит одаренным студентам из Индии закончить своё университетское образование, и впоследствии сделать свой собственный вклад, как это удалось мне. Кроме того, часть денег от премии я отдал своей альма-матер, Индийскому институту технологии в городе Мадрасе, которые пойдут на оплату обучения студентам программы бакалавриата. Благодаря этому институту я получил основные знания в области электротехники.
ЭВ: Безусловно, ваши соотечественники, для которых вы являетесь примером успешного изобретателя, высоко оценят эту благородную инициативу, а «Энергетическому вестнику» доставит удовольствие объявить о ней и информировать своих читателей о её развитии.
Применение энергосберегающих технологий в развивающихся странах является выгодным, поскольку такие технологии позволяют снизить стоимость электричества для потребителей. Кроме того, сокращается и потребность в инвестициях для строительства новых электростанций.
