CC BY
2
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОТЕНЦИАЛА НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ В
ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ТЕХНИКЕ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
М.Е. Степанов, магистр
Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова (Россия, г. Чебоксары)
DOI:10.24412/2500-1000-2024-9-5-56-61
Аннотация. В данной статье рассматриваются традиционные полупроводниковые материалы (ПМ) и ограничения их использования. Исследуются современные ПМ, такие как карбид кремния ^¡С) и галлий нитрид (GaN), а также их преимущества по сравнению с традиционными. Анализируется влияние новых материалов на особенности энергоэффективности систем электропривода. Приводятся примеры успешного внедрения современных ПМ в технологические процессы российских и американских компаний.
Ключевые слова: полупроводниковые материалы, энергоэффективность, системы электропривода, нефтегазовая отрасль, карбид кремния ^¡С), галлий нитрид ^а^, электрическая проводимость, тепловые потери.
Проблема энергоэффективности является важной для промышленности и общества в целом. В условиях исчерпания природных ресурсов и увеличения потребления энергии необходимость в разработке и внедрении эффективных технологий в нефтегазовой отрасли (НО) становится все более актуальной. Одним из важных направлений повышения энергоэффективности является полупроводниковая техника, особенно в контексте систем электропривода (СЭ).
Они применяются в самых различных областях, включая промышленные установки и оборудование в НО. Благодаря им обеспечивается контроль и управление движением, осуществляется преобразование электрической энергии в механическую. На протяжении многих лет основным материалом, используемым в производстве полупроводниковых приборов в СЭ, был кремний ^Г). Но несмотря на свои многочисленные достоинства, Si имеет ряд ограничений, особенно когда речь идет о применении в ситуациях, связанных с вы-
сокими температурами, частотами и напряжениями.
Внимание исследователей и инженеров все больше привлекают новые материалы, обладающие улучшенными полупроводниковыми свойствами, такими как карбид кремния ^С) и нитрид галлия ^аЫ). Целью данной статьи является изучение потенциала новых полупроводниковых материалов (ПМ) для повышения энергоэффективности СЭ.
Основная часть. Обзор традиционных полупроводниковых материалов
Полупроводниковая техника традиционно основывается на использовании материалов, которые обладают уникальными электрическими свойствами, позволяющими управлять электрическим током. Самым часто применяющимся ПМ является 81. Это четырехвалетный химический элемент, каждый атом которого имеет во внешнем электронном поле по четыре электрона. Они используются для образования полноэлектронных связей с четырьмя соседними атомами (рис. 1).
Рис. 1. Атомное строение Si
Он обладает хорошими электрическими характеристиками, включая умеренную подвижность носителей заряда и достаточно высокий уровень термостойкости. Однако его эффективность в высокочастотных приложениях ограничена, а тепловые потери в устройствах на основе Si могут быть значительными при увеличении мощности. Повышение температуры приводит к ухудшению его проводимости, что может способствовать дополнительным потерям.
Одним из первых полупроводников, использовавшихся в транзисторах, является Ое. Он обладает более высокой подвижностью носителей заряда по сравнению с Si, что делает его привлекательным для высокочастотных приложений. Однако Ge также имеет свои недостатки, а именно, высокие тепловые потери, меньшую стабильность при изменении температуры. Кроме того, его производство дороже, что
ограничивает применение данного материала в массовых технологиях.
Соединения Ш-У, такие как арсенид галлия (GaAs) и фосфид индия (1пР), обладают хорошими электрическими и оптическими свойствами, что позволяет использовать их в высокоэффективных солнечных элементах, светодиодах и лазерах. Они обеспечивают высокую эффективность преобразования энергии и низкие тепловые потери [1]. Однако их производство значительно дороже, чем у Si, и они более сложны в обработке, что ограничивает их применение в широкомасштабной электронике.
Традиционные ПМ играют важную роль в развитии электроприводов, являясь основой для множества устройств. Несмотря на это отмечаются определенные проблемы, которые ограничивают их применение (табл. 1).
Таблица 1. Основные ограничения в применении традиционных ПМ [2]
Ограничение Описание Влияние на использование
Температурная устойчивость Ограниченные рабочие температуры (обычно до 150°С). Меньшая надежность и сокращение срока службы в высокотемпературных условиях.
Химическая стойкость Подверженность коррозии и разрушению в агрессивных химических средах. Ограничение в использовании в условиях с высоким содержанием химических веществ.
Устойчивость к механическим повреждениям Чувствительность к физическим воздействиям, таким как удары и вибрации. Необходимость защиты компонентов, что увеличивает сложность и стоимость.
Стабильность в условиях высоких давления В условиях высокого давления могут потерять свои свойства. Ограничение применения в глубоких скважинах и подводных установках.
Энергетическая эффективность Ограничения в энергоэффективности и потерях энергии. Низкая эффективность и необходимость в дополнительной энергообеспечении.
Сложность в изготовлении и интеграции Сложная и дорогостоящая технология производства. Высокие затраты на внедрение и обслуживание.
Чувствительность к радиации Чувствительность к радиации. Необходимость в защите от радиационного воздействия.
По мнению автора, традиционные ПМ, несмотря на свою значимость и широкое применение, имеют несколько основных проблем, среди которых можно выделить тепловые потери, стоимость производства и сложность обработки. Данные трудности создают потребность в разработке альтернативных материалов, способных преодолеть существующие барьеры. Нарастающие требования к энергоэффективности и устойчивому развитию свидетельствуют о необходимости перехода на новые полупроводниковые технологии.
Перспективные полупроводниковые материалы. Их влияние на энергоэффективность систем электропривода в НО
Электроприводы, использующие новые ПМ, демонстрируют значительные преимущества по сравнению с традиционными решениями. Новые материалы, позволяют значительно повысить эффективность работы систем, что особенно важно в условиях растущих требований к энергосбережению и производительности в добывающей сфере.
Снижение потерь энергии в системах электропривода является одним из важ-
Современные полупроводниковые технологии открывают новые возможности для разработки более компактных, производительных и устойчивых к внешним воздействиям решений. Инновационные материалы обеспечивают низкие потери на переключение, высокую термостойкость и возможность работы в экстремальных условиях, что делает их особенно привлекательными для применения в электроприводах НО. Интеграция перспективных ПМ в СЭ не только повышает их эффективность, но и способствует созданию более устойчивых и адаптивных решений, отвечающих требованиям добывающей промышленности. Основные перспективные ПМ представлены в таблице 2.
ных аспектов повышения общей энергоэффективности в НО. Внедрение новых ПМ, таких как SiC и GaN изменяет подход к проектированию и эксплуатации электроприводов, поскольку они обладают низкими потерями на переключение и высокой теплопроводностью. Данная особенность позволяет значительно увеличить эффективность преобразователей и снизить потери на 76% (рис. 2).
Таблица 2. Перспективные ПМ [3, 4]
Материал Преимущества Область применения
Карбид кремния Широкая запрещенная зона (3,26 эВ); высокая теплопроводность; низкие потери при переключении; высокая скорость переключения. Высоковольтные MOSFET и диоды, инверторы для электроприводов, силовая электроника и источники питания
Нитрид галлия (ваЫ) Очень широкая запрещенная зона (3,4 эВ); высокая подвижность электронов; высокая частота работы; низкие потери при переключении. Высокочастотные преобразователи, инверторы, радиочастотные усилители и телекоммуникации
Оксид галлия (ва203) Очень широкая запрещенная зона (4,8 эВ); высокая пробивная напряженность; высокая эффективность в высоковольтных приложениях. Высоковольтные силовые устройства, энергетические системы, крупные промышленные инверторы
Алмаз Широкая запрещенная зона (5,5 эВ); высочайшая теплопроводность; высокая скорость насыщения носителей; высокая устойчивость к пробоям. Устройства для работы в экстремальных условиях, аэрокосмическая техника, системы энергоснабжения в суровых условиях
о:
о
3,5
2,5
1,5
0,5
-0,5
Та = 1 50C°
1 6- Kei
1 7 сни>
/0 / ние /
Si IGBT
SiC MOSFET
200
400
600
800
Время переключения, не
Рис. 2. Потери Si в сравнении с SiC [5]
Использование SiC и GaN позволяет увеличить коэффициент полезного действия (КПД) преобразователей, достигая значений 98-99%. Это связано с тем, что новые материалы обеспечивают более низкие потери на рассеяние и переключение, что важно в условиях высоких нагрузок и частот.
Одним из важных аспектов применения SiC и GaN является их способность функционировать при высоких температурах. Традиционные кремниевые устройства теряют эффективность и могут перегреваться, что требует дополнительных затрат на системы охлаждения. Устройства на основе SiC и GaN могут работать в условиях, превышающих 200°^ что позволяет значительно сократить требования к охлаждению [6]. Это не только снижает эксплуатационные расходы, но и увеличивает надежность оборудования, что особенно важно в условиях НО, где надежность систем особенно важна для обеспечения непрерывности операций.
Высокая частота переключения, характерная для новых ПМ, улучшает динамические характеристики СЭ. Это позволяет более точно и эффективно управлять процессами, такими как регулирование скорости и момента. В результате улучшается производительность насосов и компрессоров, что ведет к снижению энергозатрат и повышению общей эффективности систем.
Применение SiC и GaN позволяет уменьшить размеры и вес силовых преобразователей. Компактные размеры при-
водят к упрощению проектирования и установки оборудования, что особенно актуально для буровых платформ и других ограниченных пространств. Уменьшение габаритов и веса систем снижает затраты на транспортировку и установку, улучшает доступность для обслуживания.
Влияние перспективных ПМ на энергоэффективность СЭ в НО проявляется и в экологическом аспекте. Снижение потребления энергии приводит к уменьшению углеродного следа, что становится все более важным для компаний, стремящихся к устойчивому развитию. Это соответствует глобальным трендам, направленным на снижение влияния на окружающую среду и соблюдение экологических стандартов.
Примером успешного внедрения новых ПМ является опыт американской компания ExxonMobil, которая в 2022 году внедрила технологии на основе SiC в свои системы управления насосами и компрессорами. В рамках одного из проектов компания заменила традиционные кремниевые инверторы на SiC. Это позволило повысить КПД до 99%, что снизило энергозатраты на 20-30%. Высокие температуры работы SiC-компонентов позволили уменьшить системы охлаждения, что снизило капитальные затраты на установку [7].
Другим примером является опыт компании Татнефть, которая в 2021 году начала использовать SiC-преобразователи в своих насосных системах. Это позволило повысить КПД насосов на 10-15% и снизить потребление электроэнергии. Еще од-
ним важным моментом стало повышение стики, но и повысить общую надежность и ресурса работы электродвигателя, его уда- долговечность оборудования. Эти дости-лось достичь за счет снижения температу- жения особенно важны в условиях расту-ры при работе оборудования на 1 %. В со- щего спроса на энергоэффективные реше-вокупности данная система позволила ния в нефтегазовой сфере, где повышение снизить выбросы CO2 на 4,6 тонны в год эффективности использования энергии на 1 скважину [8]. становится важным фактором конкуренто-
Данные примеры показывают, как ин- способности. новационные материалы могут значитель- Поддержка и развитие технологий на
но улучшить энергетическую эффектив- основе новых ПМ может привести к суще-ность СЭ, открывая новые возможности ственному снижению эксплуатационных для нефтегазовой и добывающей отраслей. затрат и увеличению срока службы обору-
Выводы дования, что является важным аспектом в
Исследования и разработки в области условиях современного рынка. Исследова-новых материалов для полупроводниковой ния, проведенные как в России, так и в техники открывают значительные воз- США, подтверждают, что внедрение SiC и можности для повышения энергоэффек- GaN в СЭ не только способствует повы-тивности СЭ. Применение таких передо- шению энергоэффективности, но и откры-вых материалов, как SiC и GaN, позволяет вает новые горизонты для инновационных не только существенно снизить потери решений в области возобновляемой энер-энергии и улучшить тепловые характери- гетики и повышения устойчивости в НО.
Библиографический список
1. Алексеева Т.Л., Рябченок Н.Л., Астраханцев Л.А., Тихомиров В.А. Энергетическая эффективность в электрических цепях с полупроводниковыми приборами // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика. - 2022. - Т. 20, № 2. -С. 89-98.
2. Демидов А.А., Рыбалка С.Б. Современные и перспективные полупроводниковые материалы для микроэлектроники следующего десятилетия (2020-2030 гг.) // Прикладная математика & физика. - 2021. - Т. 53, № 1. - С. 53-72.
3. Сапсалев А.В., Брованов С.В., Харитонов А.С. К вопросу энергосбережения в электромеханических системах // Современные наукоемкие технологии. - 2022. - № 1. - С. 8590.
4. Ульянкина И.В. Кейс-стадии адаптации секториальных стандартов ESG на примере энергетической отрасли США // Холодная наука. - 2024. - № 6. - С. 40-48.
5. Боднарь Д. Полупроводниковая микроэлектроника - 2021 г. Часть 2. SiC и GaN - основа новой силовой электроники настоящего и будущего // Электронные компоненты. -2022. - № 1. - С. 6-16.
6. Kendjaev A. Features of establishing foreign economic activities when entering the American market: practical steps and legal nuances // Sciences of Europe. - 2024. - № 144. - P. 8-11.
7. Карташов Е. Смирнова В. Повышение эффективности автономных импульсных источников питания (SMPS) // Силовая энергетика. - 2022. - №2. - С. 44-47.
8. Кулигин С.В., Косяков А.В., Белов П.В., Лапенко А.А., Ишков А.Д. Очистка воды от нефти и нефтепродуктов с помощью нанопористых супергидрофильных материалов // Нанотехнологии в строительстве. - 2021. - Т. 13, № 2. - С. 63-72.
RESEARCH ON THE POTENTIAL OF NEW MATERIALS IN SEMICONDUCTOR TECHNOLOGY FOR IMPROVING ENERGY EFFICIENCY IN ELECTRIC DRIVE
SYSTEMS
M.E. Stepanov, master's degree I.N. Ulianov Chuvash State University (Russia, Cheboksary)
Abstract. This article examines traditional semiconductor materials (SM) and the limitations of their use. It explores modern SM, such as silicon carbide (SiC) and gallium nitride (GaN), along with their advantages over conventional materials. The impact of new materials on the energy efficiency characteristics of electric drive systems is analyzed. Examples of the successful implementation of modern SM in the technological processes of Russian and American companies are provided.
Keywords: semiconductor materials, energy efficiency, electric drive systems, silicon carbide (SiC), gallium nitride (GaN), electrical conductivity, thermal losses.
