CC BY
9УДК 621.314 Худобердин И.И., Рахматуллин И.Р., Пионтковская С.А.
Худобердин И.И.
студент 2 курса Института автоматики и электронного приборостроения Казанский национальный исследовательский технический университет
им. А.Н. Туполева (г. Казань, Россия)
Рахматуллин И.Р.
студент 2 курса Института автоматики и электронного приборостроения Казанский национальный исследовательский технический университет
им. А.Н. Туполева (г. Казань, Россия)
Научный руководитель: Пионтковская С.А.
канд. техн. наук, доцент кафедры электрооборудования Казанский национальный исследовательский технический университет
им. А.Н. Туполева (г. Казань, Россия)
НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ
Аннотация: в данной статье рассматривается актуальная проблема повышения эффективности и компактности преобразователей энергии за счет использования новых материалов. Проведен обзор перспективных материалов: широкозонные полупроводники (ОаЫ, 81С, 0а203, алмаз), аморфные и нанокристаллические магнитные материалы, полимеры с высокой диэлектрической проницаемостью.
Проанализировано влияние новых материалов на ключевые характеристики преобразователей, такие как КПД, рабочая частота, плотность мощности и рабочий температурный диапазон. Приведены примеры реализации преобразователей различных типов (DC-DC, DC-AC, резонансные) с использованием новых материалов и выполнен сравнительный анализ их характеристик с традиционными аналогами. Обсуждены технические и экономические вызовы, связанные с внедрением новых материалов, а также перспективы развития этой области.
Ключевые слова: преобразователи энергии, новые материалы, широкозонные полупроводники, магнитные материалы, полимерные материалы, КПД, энергоэффективность, компактность.
1 Улучшение преобразователей энергии с использованием новых материалов.
В условиях стремительного развития различных отраслей промышленности, включая потребительскую электронику, транспорт, энергетику и промышленную автоматизацию, наблюдается неуклонно растущий спрос на более компактные, легкие и энергоэффективные преобразователи энергии. Традиционные преобразователи, основанные на использовании кремния (Si) и ферритов, уже не всегда способны удовлетворить возрастающие требования к эффективности преобразования, плотности мощности и рабочим температурам. В связи с этим, разработка и внедрение новых материалов с улучшенными характеристиками становится ключевым фактором создания преобразователей нового поколения, обладающих повышенной эффективностью, компактностью и расширенными функциональными возможностями.
2 Обзор перспективных новых материалов.
2.1 Широкозонные полупроводники (WBG).
Широкозонные полупроводники (WBG) представляют собой класс материалов, обладающих большей шириной запрещенной зоны по сравнению с традиционным кремнием (Si) [1]. Эта особенность наделяет их рядом преимуществ, делая WBG-материалы перспективными кандидатами для
применения в силовой электронике, и в частности, в преобразователях энергии. К наиболее перспективным представителям WBG-материалов относятся:
Нитрид галлия (GaN): GaN характеризуется высокой подвижностью электронов, низким сопротивлением в открытом состоянии и способностью работать на высоких частотах. Эти свойства делают его привлекательным для создания высокоэффективных и компактных преобразователей постоянного тока в постоянный (DC-DC), постоянного тока в переменный (DC-AC), а также для реализации резонансных топологий преобразователей.
Карбид кремния (SiC): SiC отличается высокой теплопроводностью и пробивной напряженностью, что позволяет ему эффективно работать при повышенных температурах и напряжениях. Преобразователи на основе SiC находят применение в электромобилях, возобновляемой энергетике, промышленной автоматизации.
Оксид галлия (Ga2O3): Ga2O3 имеет еще более широкую запрещенную зону, чем GaN и SiC, что сулит еще более высокую эффективность преобразования. Кроме того, Ga2O3 обладает потенциалом для более дешевого производства, что может сыграть решающую роль в его широком внедрении. В настоящее время Ga2O3 находится на стадии активных исследований и разработок.
Алмаз: обладая экстремально высокой теплопроводностью и подвижностью носителей заряда, алмаз представляет собой уникальный материал для силовой электроники. Однако его применение в преобразователях пока ограничено из-за высокой стоимости и сложностей в технологии производства высококачественных кристаллов большого размера.
2.2 Магнитные материалы.
Повышение эффективности и компактности преобразователей невозможно без совершенствования магнитных материалов, используемых в трансформаторах, дросселях и других компонентах. Новые материалы призваны заменить традиционные ферриты, обладающие рядом ограничений, особенно на высоких частотах.
К перспективным магнитным материалам относятся: Аморфные и нанокристаллические магнитные материалы: благодаря неупорядоченной атомной структуре, аморфные и нанокристаллические материалы характеризуются низкими потерями на гистерезис и высокой магнитной проницаемостью, особенно в высокочастотном диапазоне. Это делает их идеальными кандидатами для использования в высокочастотных трансформаторах и дросселях, что позволяет существенно сократить габариты и вес преобразователей без потери эффективности [2].
Многослойные магнитные материалы: многослойные материалы получают путем чередования слоев с различными магнитными свойствами. Такая структура дает возможность тонкой настройки характеристик материала, включая стабильность параметров при изменении температуры. Многослойные магнитные материалы находят применение в высокотемпературных преобразователях, а также в системах с повышенными требованиями к стабильности работы.
2.3 Диэлектрические материалы.
Диэлектрические материалы играют важную роль в преобразователях энергии, обеспечивая изоляцию токопроводящих частей, а также используясь в качестве диэлектрика в конденсаторах. Новые материалы с улучшенными характеристиками позволяют создавать более компактные, надежные и эффективные преобразователи.
К перспективным диэлектрическим материалам относятся: Полимеры с высокой диэлектрической проницаемостью: применение полимеров, наполненных частицами феррита, с высокой диэлектрической проницаемостью в конденсаторах позволяет значительно уменьшить их габариты при сохранении емкости [3]. Это особенно актуально для создания миниатюрных преобразователей, используемых в портативной электронике. Однако температурная стабильность и уровень диэлектрических потерь некоторых полимеров требуют дальнейшего улучшения.
Керамика с высокой диэлектрической прочностью: Керамические материалы с высокой диэлектрической прочностью используются в высоковольтных преобразователях. Они обеспечивают надежную изоляцию при высоких напряжениях, способствуя повышению безопасности и надежности преобразователей.
3 Влияние новых материалов на характеристики преобразователей.
Применение новых материалов в преобразователях энергии открывает широкие возможности для улучшения целого ряда ключевых характеристик, таких как эффективность, рабочая частота, плотность мощности и рабочий температурный диапазон.
3.1 Повышение эффективностио.
Одним из ключевых преимуществ применения новых материалов в преобразователях энергии является значительное повышение их эффективности. Это достигается за счет снижения различных типов потерь, возникающих в процессе преобразования энергии.
Широкозонные полупроводники (WBG), такие как нитрид галлия ^аЫ) и карбид кремния (БЮ), обладают рядом преимуществ перед традиционным кремнием (Б1). Они характеризуются более высокой скоростью переключения, низким сопротивлением в открытом состоянии и способностью работать при более высоких температурах. Это позволяет значительно снизить потери на переключение транзисторов, что особенно важно для преобразователей, работающих на высоких частотах.
Аморфные и нанокристаллические магнитные материалы обладают очень низкими потерями на гистерезис и вихревые токи по сравнению с традиционными ферритами. Это делает их идеальными для использования в высокочастотных трансформаторах и дросселях, позволяя уменьшить размеры и вес этих компонентов без ухудшения их характеристик.
Полимеры с высокой диэлектрической проницаемостью находят применение в конденсаторах, позволяя создавать более компактные конденсаторы с той же емкостью. Кроме того, некоторые типы полимеров
обладают низкими диэлектрическими потерями, что также способствует повышению эффективности преобразователя.
В результате применения новых материалов в преобразователях энергии удается добиться значительного снижения энергетических потерь и повышения КПД на 5-15% и более по сравнению с аналогичными преобразователями, выполненными на основе традиционных материалов.
3.2 Увеличение рабочей частоты.
Повышение рабочей частоты является одним из ключевых направлений развития преобразователей энергии. Работа на более высоких частотах позволяет уменьшить размеры и вес пассивных компонентов (трансформаторов, дросселей, конденсаторов) без потери их функциональности, что ведет к миниатюризации и снижению стоимости преобразователей.
Широкозонные полупроводники (WBG): WBG-транзисторы, такие как GaN и SiC, обладают значительно более высокой скоростью переключения по сравнению с традиционными кремниевыми транзисторами. Это позволяет им эффективно работать на частотах в десятки и сотни килогерц, а в некоторых случаях и на мегагерцовых частотах, что открывает новые горизонты для миниатюризации преобразователей и улучшения их динамических характеристик.
Магнитные материалы с низкими потерями: для работы на высоких частотах также важно использовать магнитные материалы с низкими потерями на гистерезис и вихревые токи. Аморфные и нанокристаллические магнитные материалы хорошо подходят для этих целей, позволяя создавать высокочастотные трансформаторы и дроссели с минимальными потерями энергии.
3.3 Повышение плотности мощности.
Плотность мощности является важнейшей характеристикой преобразователей энергии, определяющей количество мощности, которое может быть обработано или передано устройством на единицу объема или массы. Повышение плотности мощности позволяет создавать более компактные и
легкие преобразователи, что особенно важно для многих современных приложений, таких как портативная электроника, электромобили, аэрокосмическая техника.
Широкозонные полупроводники (WBG): WBG-транзисторы, благодаря низкому сопротивлению в открытом состоянии, способны пропускать большие токи при меньших габаритах кристалла по сравнению с кремниевыми аналогами. Это позволяет создавать более мощные преобразователи при тех же или даже меньших размерах.
Улучшенные пассивные компоненты: применение аморфных и нанокристаллических магнитных материалов, а также полимеров с высокой диэлектрической проницаемостью, позволяет создавать более компактные и легкие трансформаторы, дроссели и конденсаторы, что также способствует миниатюризации преобразователей и повышению их плотности мощности.
3.4 Расширение рабочих температур.
Рабочий температурный диапазон является важной характеристикой преобразователей энергии, определяющей условия, в которых устройство может надежно и эффективно работать. Расширение рабочего диапазона температур позволяет создавать более устойчивые к перегревам и пригодные для работы в экстремальных условиях устройства.
Широкозонные полупроводники (WBG): WBG-материалы, такие как БЮ, обладают высокой теплопроводностью и способностью сохранять свои полупроводниковые свойства при значительно более высоких температурах по сравнению с кремнием. Это позволяет создавать преобразователи, способные работать при температурах 200°С и выше.
Высокотемпературные магнитные материалы: для работы при повышенных температурах также необходимо использовать магнитные материалы, сохраняющие свои свойства в широком температурном диапазоне. Некоторые типы ферритов и специальные сплавы обладают такими характеристиками и могут использоваться в высокотемпературных трансформаторах и дросселях.
4 Примеры реализации и сравнительный анализ.
4.1 Примеры конкретных преобразователей, созданных с использованием новых материалов.
Преобразователи постоянного тока в постоянный (DC-DC) на основе GaN: GaN-транзисторы находят широкое применение в современных высокоэффективных и компактных DC-DC преобразователях. Например, компания Texas Instruments предлагает серию GaN-транзисторов LMG3410, предназначенных для DC-DC преобразователей с КПД более 95% при частотах переключения до 10 МГц. Эти преобразователи используются в серверах, телекоммуникационном оборудовании, промышленной автоматике [4].
Преобразователи постоянного тока в переменный (DC-AC) на основе SiC: SiC-транзисторы идеально подходят для использования в инверторах (преобразователях DC-AC) для солнечных электростанций и ветроэнергетических установок, а также в тяговых инверторах электромобилей. Например, компания Infineon Technologies предлагает SiC-модули EasyPACK™, предназначенные для применения в тяговых инверторах электромобилей. SiC-инверторы отличаются высокой эффективностью (более 98%), компактностью и надежностью в широком диапазоне температур [5].
Резонансные преобразователи с использованием аморфных магнитных материалов: Аморфные магнитные материалы находят применение в резонансных преобразователях, которые характеризуются высокой эффективностью и низким уровнем электромагнитных помех. Например, компания Metglas производит широкий спектр аморфных магнитных материалов, которые используются в резонансных преобразователях для различных приложений, включая источники питания для светодиодного освещения, сварочные аппараты и медицинское оборудование [6].
4.2 Сравнительный анализ характеристик преобразователей на основе новых и традиционных материалов.
Основные преимущества преобразователей на новых материалах:
Повышенная эффективность: WBG-транзисторы и улучшенные магнитные материалы позволяют значительно снизить потери энергии и повысить КПД.
Миниатюризация: Высокая рабочая частота и плотность мощности новых материалов позволяют создавать более компактные и легкие преобразователи.
Расширенный температурный диапазон: WBG-материалы и высокотемпературные магнитные материалы обеспечивают надежную работу преобразователей в более широком диапазоне температур.
Недостаток преобразователей на новых материалах:
Более высокая стоимость: на данный момент новые материалы обычно дороже традиционных. Однако по мере развития технологий и нарастания объемов производства ожидается снижение стоимости новых материалов.
5 Вызовы и перспективы.
5.1 Технические трудности, связанные с применением новых материалов
Сложности технологического процесса производства: производство
WBG-транзисторов и других компонентов на основе новых материалов требует более сложных и дорогих технологических процессов по сравнению с производством традиционных кремниевых устройств.
Необходимость разработки новых методов конструирования и управления: применение новых материалов с их уникальными характеристиками требует разработки новых методов конструирования и алгоритмов управления преобразователями.
Вопросы надежности и долговечности: Надежность и долговечность новых материалов и компонентов на их основе требуют тщательного изучения и подтверждения в реальных условиях эксплуатации.
5.2 Экономические аспекты.
Высокая стоимость некоторых новых материалов: стоимость WBG-транзисторов и некоторых других новых материалов остается относительно высокой, что сдерживает их широкое внедрение.
Необходимость инвестиций в разработку и внедрение новых технологий: переход на новые материалы требует значительных инвестиций в разработку новых технологий производства, конструирования и тестирования преобразователей.
5.3 Перспективы развития и прогнозы на будущее.
Несмотря на существующие вызовы, перспективы развития и применения новых материалов в преобразователях энергии выглядят весьма обнадеживающими.
Снижение стоимости новых материалов и увеличение их доступности: По мере совершенствования технологий производства и нарастания объемов выпуска ожидается постепенное снижение стоимости WBG-транзисторов, аморфных магнитных материалов и других новых материалов, что сделает их более доступными для широкого круга приложений.
Разработка еще более эффективных и компактных преобразователей: Новые материалы открывают путь к созданию еще более эффективных, компактных и легких преобразователей энергии. Дальнейшие исследования в области материаловедения и силовой электроники позволят создавать устройства с улучшенными характеристиками.
Расширение областей применения преобразователей с новыми материалами: С повышением эффективности, компактности и надежности преобразователей на основе новых материалов будет расширяться сфера их применения. Они будут все активнее внедряться в электромобили, возобновляемую энергетику, промышленную автоматику, аэрокосмическую технику, медицинское оборудование и другие отрасли.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Baliga B.J. Wide Bandgap Semiconductor Power Devices [Текст] / Baliga B.J.: Woodhead Publishing, 2018 — 600 c;
2. Аморфные и нанокристаллические магнитомягкие сплавы / [Электронный ресурс] // Мстатор: [сайт]. — URL: https://mstator.ru/products/amorf (дата обращения: 10.07.2024);
3. Аманкулов Е., Агабекова Д.А. Диэлектрические свойства полимеров, наполненных частицами феррита [Текст] / Аманкулов Е., Агабекова Д.А. // Евразийское научное обьединение. — 2018. — № 12-1 (46). — С. 52-57;
4. LMG3410R070 data sheet, product information and support / [Электронный ресурс] // Texas instruments: [сайт]. — URL: https://www.ti.com/product/LMG3410R070 (дата обращения: 10.07.2024);
5. EasyPACK / [Электронный ресурс] // Infineon: [сайт]. — URL: https : //www. infineon. com/cms/en/product/power/igbt/automotive-qualified-igbts/automotive-igbt-coolsic-mosfet-modules/easypack/ (дата обращения: 10.07.2024);
6. Learn about Magnetic Materials from Metglas®, Inc. / [Электронный ресурс] // Metglas: [сайт]. — URL: https://metglas.com/magnetic-materials/ (дата обращения: 10.07.2024)
Khudoberdin I.I., Rakhmatullin I.R., Piontkovskaya S.A.
Khudoberdin I.I.
Kazan National Research Technical University (Kazan, Russia)
Rakhmatullin I.R.
Kazan National Research Technical University (Kazan, Russia)
Scientific advisor: Piontkovskaya S.A.
Kazan National Research Technical University (Kazan, Russia)
NEW MATERIALS FOR HIGH PERFORMANCE ENERGY CONVERTERS
Abstract: this article discusses the current problem of increasing the efficiency and compactness of energy converters through the use of new materials. A review ofpromising materials is carried out: wide-gap semiconductors (GaN, SiC, Ga2O3, diamond), amorphous and nanocrystalline magnetic materials, polymers with high dielectric constant.
The influence of new materials on key characteristics of converters, such as efficiency, operating frequency, power density and operating temperature range, is analyzed. Examples of the implementation of converters of various types (DC-DC, DC-AC, resonant) using new materials are given and a comparative analysis of their characteristics with traditional analogs is performed. Technical and economic challenges associated with the introduction of new materials, as well as prospects for the development of this area, were discussed.
Keywords: energy converters, new materials, wide bandgap semiconductors, magnetic materials, polymer materials, efficiency, energy efficiency, compactness.
