http://www.ras.ru/news/shownews.aspx?id=42cebca7-6d71-4e81-8592-406945cca979&_Language=ru& print=1© 2024 Российская академия наук
24 апреля 2007 года состоялось очередное заседание Президиума Российской академии наук
Члены Президиума заслушали научное сообщение «Силовая полупроводниковая электроника и импульсная техника». Докладчик - член-корреспондент РАН Грехов Игорь Всеволодович (Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, Санкт-Петербург).
I. Современное состояние силовой полупроводниковой электроники и преобразовательной техники в России
В промышленно развитых странах более 70% вырабатываемой электроэнергии проходит через полупроводниковые преобразователи. Суммарная установленная мощность преобразователей вполне сопоставима с суммарной величиной генерирующих мощностей, поэтому технический уровень преобразовательной техники ощутимо влияет на состояние всей энергетики. В России через полупроводниковые преобразователи проходит примерно 30% электроэнергии. Оценки показывают, что увеличение этой доли до мирового уровня позволит экономить 12—15% всей вырабатываемой электроэнергии. Ускоренное развитие силовой полупроводниковой преобразовательной техники является, пожалуй, одним из самых быстрых и наименее затратных путей ощутимого снижения энергоемкости ВВП. Относительно малый объём преобразования электроэнергии в России связан, во многом, с искусственно занижаемой в течение многих лет её ценой; сейчас он растет очень быстро (20÷25% в год).
Очень большие резервы экономии находятся в области электропривода, где используется около 50% вырабатываемой электроэнергии. Переход на асинхронный привод с частотным регулированием скорости вращения с помощью полупроводникового преобразователя экономит в среднем 25%, а на электротранспорте – с рекуперацией в сеть энергии торможения – более 30% энергии. Большую экономию дают полупроводниковые компенсаторы реактивной мощности и другая полупроводниковая аппаратура, которой оснащаются линии электропередач переменного тока, полупроводниковые вставки постоянного тока между энергосистемами переменного тока резко повышают их устойчивость, сверхвысоковольтные линии передач постоянного тока с полупроводниковыми преобразователями позволяют передавать очень большие мощности на тысячи километров с малыми потерями, огромные мощности проходят через преобразователи в металлургии, производстве алюминия и меди и т.д.
Основными активными элементами преобразователя являются силовые полупроводниковые приборы, изготовляемые уже почти полвека из монокристаллического кремния. Годовой объем мирового рынка мощных приборов составляет ~18 млрд. USD, т.е., около 10% всего рынка полупроводниковых приборов. Современные приборы делятся на две группы. Первая – это мощные диоды и тиристоры различных модификаций. Технологические основы производства этих приборов, сейчас применяемых, в основном, для преобразования очень больших мощностей (от мегаватта и выше), были заложены в 1960х годах. Вторая группа – это полевые и биполярно-полевые транзисторы (MOSFET и IGBT). Они, по сути, представляют собой силовую интегральную схему из нескольких сотен тысяч элементарных ячеек на одном чипе, производимом на основе современных микроэлектронных технологий. Эти приборы используются в диапазоне средних и малых мощностей.
В СССР силовое полупроводниковое приборостроение как отрасль электротехнической промышленности было создано в начале 1960х годов в результате совместной работы Физико-технического института им.А.Ф. Иоффе (Ленинград), завода «Электровыпрямитель» (г.Саранск) и Всесоюзного Электротехнического института им.В.И. Ленина (Москва). Основные приборы того времени – силовые диоды и тиристоры – по параметрам соответствовали мировому уровню, их стоимость – во многом благодаря эффективной технологии – была примерно втрое ниже мировой, а объем производства на пяти специализированных заводах полностью обеспечивал потребности всех отраслей отечественной промышленности. В начале 90х при развале СССР в России остался только один завод «Электровыпрямитель», на котором производилось около половины приборов, выпускаемых в СССР; остальные заводы, оказавшиеся в других республиках, практически сразу перестали существовать. На базе завода «Электровыпрямитель» был выполнен комплекс работ по созданию нового поколения мощных диодов и тиристоров, позволивший сохранить конкурентоспособность нашей промышленности в области производства мощных полупроводниковых приборов. Это обеспечило развитие целой отрасли Российской промышленности – силовой полупроводниковой преобразовательной техники – в течение всей перестройки. Сейчас отрасль быстро наращивает объем выпускаемой продукции (на 20-25% в год). Созданная серия силовых приборов по основным параметрам соответствует зарубежным аналогам ведущих фирм. Наиболее мощным из серийно выпускаемых приборов сейчас является тиристор Т-193-2000 на основе кремниевой шайбы диаметром 105 мм с рабочим током ~2500 А и напряжением 6 кВ. В 1996 г. в г.Орел был создан еще один анклав силовой электроники – заводы «Протон Электротекс» и «Электротекс» по производству силовых приборов и преобразователей. Сейчас около 60% выпускаемых в России силовых приборов производится на ОАО «Электровыпрямитель» и 40% – в ЗАО «Протон-Электротекс».
На этих приборах базируется практически все отечественное мощное преобразовательное оборудование для электроэнергетики, электротранспорта, машиностроения, металлургии, электролиза цветных металлов, нефте- и газодобычи, военной техники и других отраслей.
В целом, положение в той части Российской силовой электроники и преобразовательной техники, где производятся и используются приборы первой группы, является, в общем, приемлемым.
Что же касается приборов второй группы, то отставание в этом направлении просто катастрофическое. В конце 80х и начале 90х годов, когда в мировой силовой электронике произошла так называемая вторая электронная революция, связанная с началом массового производства мощных полевых и биполярно-полевых транзисторов (MOSFET и IGBT) на основе микроэлектронных технологий, российская промышленность в силу известных обстоятельств никакого участия в этом процессе уже не принимала, и в результате сейчас в России практически нет собственного производства второй группы приборов силовой электроники. Структура российского рынка силовых приборов в 2005 г. выглядела так: приборы первой группы (тиристоры и диоды) – 44% (собственное производство), второй группы (IGBT, MOSFET) – 56% (практически только импорт).
Устойчивой тенденцией в развитии элементной базы силовой электроники является вытеснение приборов первой группы в область все больших мощностей, т.е. сужение областей применения отечественной элементной базы. Создание собственного производства приборов второй группы в России совершенно необходимо для нормального развития всей электроэнергетики.
Кремниевый чип основного прибора второй группы – биполярно-полевого транзистора, IGBT, представляет собой силовую интегральную схему, где на площади 1-1.5 см2 размещены несколько сотен тысяч элементарных ячеек с характерным размером менее 10 мкм, каждая из которых состоит из высоковольтного биполярного транзистора, в цепи управления которого включен полевой транзистор. Затраты энергии в цепи управления для включения и выключения силового тока в этом приборе очень малы, быстродействие высокое и малы коммутационные потери, что позволяет создавать на его основе очень эффективные преобразователи. Однако, для промышленного конкурентоспособного производства IGBT-чипов необходим очень высокий технологический уровень. Стоимость современного завода для этого производства составляет 1.5-2 млрд. USD, а рентабельным он будет при выпуске в 1-2 млн. чипов в год. В близком будущем организация такого производства в России вряд ли возможна. В связи в этим определенную перспективу имеет ведущаяся во ФТИ им. Иоффе совместно с ООО «Светлана-Полупроводники» работа по созданию прибора, по характеристикам сравнимого с IGBT, но существенно более простого технологически. Элементарной ячейкой чипа этого прибора является микротиристор с характерным размером менее 10 мкм, а одновременное управление всеми микротиристорами чипа осуществляется одним внешним низковольтным полевым транзистором с очень малым сопротивлением канала. Такое разделение биполярной и полевой компонент резко упрощает технологию силового чипа и делает возможным его производство на имеющихся сейчас в России технологических линиях. Опытные образцы чипов уже созданы и исследованы; остаточное напряжение у них, как минимум, в 1.5 раза меньше, чем у аналогичных IGBT, а динамические характеристики примерно такие же. Мы планируем в ближайшее время довести эти исследования до стадии ОКР, если удастся получить соответствующее финансирование. В любом случае необходимо принимать решительные меры по ликвидации отставания в области приборов второй группы, поскольку полная зависимость от импорта в этой области крайне опасна, причем не только экономически.
В целом же силовая полупроводниковая преобразовательная техника в России, как я уже упоминал, сейчас развивается очень быстро и имеет хорошие перспективы.. По прогнозу развития рынка силовых приборов в России до 2016 г., составленному во Всероссийском электротехническом институте (в предположении, что объем преобразования электроэнергии к 2015 г. увеличится до 50%), в 2010 г. годовой рынок приборов составит ~15 млрд. руб. и, соответственно, суммарный рынок преобразовательной техники достигнет ~150 млрд. руб., т.е., она может превратиться в одну из крупных отраслей промышленности. Необходимо, однако, иметь в виду, что сейчас определяющим фактором быстрого роста объема преобразовательной техники является импорт готовых преобразователей и даже целых систем. По оценкам, годовой объем импорта составляет ~1 млрд. USD и намного превышает собственное производство. Это связано как с отсутствием собственного производства приборов второй группы, так и с полным отсутствием координации работ в области преобразовательной техники как со стороны государства, так и со стороны крупных полугосударственных компаний, напрямую заинтересованных в развитии электроэнергетики и преобразовательной техники.
II. Силовая полупроводниковая импульсная техника
Электрические импульсы с пиковой мощностью от мегаватт до тераватт в диапазоне длительностей от десятков пикосекунд до сотен микросекунд используются в целом ряде областей современной техники - это релятивистская СВЧ-электроника, сверхширокополосная радиолокация, электромагнитное противодействие, системы питания мощных лазеров и ускорителей, различные плазмохимические технологии и т.д. Представление о возможных масштабах импульсных систем дает, например, американский проект National Ignition Facility: батарея питания ламп накачки неодимовых лазеров для поджига дейтерий-тритиевой мишени состоит из 260 секций, коммутатор каждый из которых переключает ток в 0.5 МА при напряжении 25 кВ и длительности импульса 500 микросекунд.
Реальная возможность создания больших систем на основе полупроводниковых переключателей с неограниченным ресурсом и высокой надежностью появилась после того, как в 80х годах во ФТИ им.Иоффе были предложены новые принципы коммутации больших мощностей полупроводниковыми приборами, позволившие резко – на порядки величины – увеличить их импульсную мощность.
В основе работы современных нано и субнаносекундных замыкающих переключателей лежит обнаруженный во ФТИ им.Иоффе еще в 1979 г. эффект формирования быстрого ударно-ионизационного фронта в обратносмещенном кремниевом pn-переходе под воздействием быстронарастающего импульса перенапряжения. Это самый быстрый из известных процессов генерации плазмы в полупроводниках и благодаря ему переключение высоковольтного прибора происходит за 100-200 пикосекунд. На основе этих генераторов в Институте Теплофизики Экстремальных Состояний под руководством академика В.Е. Фортова ведутся работы по созданию электромагнитных излучателей гигаваттной мощности.
Недавно выполненные расчеты показали, что имеется принципиальная возможность возбуждения еще более быстрых ионизационных фронтов. Если к pn-переходу без глубоких ловушек в n-базе приложить импульс перенапряжения со скоростью нарастания более 10 кВ/нс, то через доли наносекунды напряженность поля в максимуме достигает ~1∙106 В/см и происходит туннельная ионизация кремния. Появляющиеся свободные электроны оказываются в сверхвысоком поле и инициируют формирование ударно-ионизационного фронта, скорость движения которого в таких полях примерно в 50 раз больше насыщенной и всего на полтора порядка меньше скорости света. В этих условиях напряжение на pn-переходе достигает ~8 кВ и затем за ~20 пс падает до 10 В. Если это удастся подтвердить экспериментально, то перед импульсной техникой откроются совершенно новые возможности.
В системах с индуктивным накоплением энергии генерация импульсов производится с помощью размыкающих ключей. Однако, проблема быстрого – наносекундного – размыкания больших токов является значительно более сложной, чем быстрое замыкание. На стадии лабораторных экспериментов размыкание обычно осуществляется с помощью плазменных размыкателей с нано и микросекундной накачкой, инжекционных тиратронов и взрывающихся проволочек. Однако, для реального применения, особенно в области промышленных технологий, такая элементная база не может быть использована, в основном, из-за малого срока службы и нестабильности срабатывания.
Идея, позволившая создать мощные высоковольтные наносекундные полупроводниковые размыкатели, оказалась неожиданно простой. Вообще говоря, любой мощный полупроводниковый диод является размыкателем: при прохождении через него импульса прямого тока базовая область заполняется электронно-дырочной плазмой, а при прохождении обратного тока электроны и дырки вытягиваются из базы, ее сопротивление возрастает и ток обрывается. Характерное время этого процесса обычно составляет единицы микросекунд, и задача состояла в том, чтобы снизить это время на три порядка.
Оказалось, что наносекундный обрыв тока осуществляется в том случае, когда плазменные фронты, формирующиеся при протекании обратного тока и движущиеся навстречу друг другу, встречаются точно в плоскости pn-перехода. После этого обратный ток через диод протекает только за счет движения основных носителей от этой плоскости, где формируется область объемного заряда, границы которой расширяются с насыщенной скоростью VS. При этом напряжение на диоде резко возрастает, ток обрывается и переходит в нагрузку. Поскольку подвижность электронов в кремнии втрое больше, чем дырок, то для того, чтобы обеспечить такой характер процесса, общее количество плазмы, запасенной в р-слое после окончания импульса прямого тока, должно быть втрое больше, чем в n-слое. Это обеспечивается соответствующей формой импульса прямого тока и соотношением геометрических размеров р и n-слоев. Существенное значение для быстродействия имеет и величина плотности обратного тока в момент обрыва. Вообще говоря, чем больше плотность тока, тем быстрее происходит перезарядка собственной и паразитных емкостей системы, однако предельной является так называемая насыщенная плотность jS=qnVS (n – концентрация основных носителей, а VS – их насыщенная скорость), т.к. при j>jS нарушается нейтральность базовой области и напряжение на ней резко возрастает. Реальные значения j обычно лежат в диапазоне от 100 до 350 А/см2, рабочее напряжение диодов – от 0.5 до 2 кВ, а предельная рабочая площадь (ограниченная, в основном, неоднородностью распределения тока) равна ~4 см2. Таким образом, предельная пиковая мощность наносекундного импульса, создаваемая таким диодом (он был назван дрейфовым диодом с резким восстановлением, ДДРВ) составляет 1-1.5 мегаватта; диоды легко соединяются последовательно и параллельно в сборки мощностью в сотни мегаватт. Создание ДДРВ произвело революцию в наносекундной технике, и к концу 80х наносекундные генераторы с импульсной мощностью в десятки мегаватт стали, в общем, рядовой техникой.
Прорыв в область гигаваттных мощностей произошел в конце 90х, когда в ИЭФ УрО РАН в группе академика Г.А. Месяца был открыт SOS-эффект. Суть его заключается в следующем.
Если в диоде с конструкцией, примерно аналогичной ДДРВ, увеличить плотность обратного тока на 1-1.5 порядка, то характер процесса восстановления изменяется принципиально. Когда левый плазменный фронт, движущийся к pn-переходу по диффузионному р-слою, входит в область, где концентрация акцепторов меньше, чем плотность потока свободных дырок из плазмы в р-слое, формируется «динамический» pn-переход и возникает область сильного поля, сопротивление диода резко возрастает и ток за единицы наносекунд перебрасывается в нагрузку. Принципиальным отличием от ДДРВ-процесса является то, что pn-переход и n-база в течение основной фазы процесса «залиты» хорошо проводящей электронно-дырочной плазмой. SOS-диоды легко соединяются последовательно и параллельно; в сочетании с очень большой плотностью рабочего тока (2÷5 кА/см2) это позволяет создавать сверхмощные системы при относительно малом расходе полупроводникового кремния.
Коммутация очень больших, в сотни тысяч и даже миллионы ампер, токов полупроводниковыми приборами стала возможной после создания во ФТИ РАН реверсивно включаемого динистора, РВД. Это прибор тиристорного типа, полупроводниковая структура которого состоит из нескольких десятков тысяч чередующихся тиристорных и транзисторных секций с общим коллектором, который блокирует внешнее напряжение. Характерный размер секции меньше, чем толщина пластины. Для включения прибора полярность внешнего напряжения изменяется на короткое время с помощью динисторного наносекундного генератора и через транзисторные секции проходит короткий импульс тока. Электронно-дырочная плазма инжектируется в n-базу, создавая тонкий плазменный слой по всей плоскости коллектора. Насыщающийся реактор L разделяет на это время силовую и управляющую цепи. Через доли микросекунды реактор насыщается и к прибору прикладывается напряжение первоначальной полярности. Внешнее поле вытягивает дырки из плазменного слоя в р-базу, вызывая инжекцию электронов n+-эмиттером и переключение прибора однородно и одновременно по всей площади практически независимо от ее величины. Такой характер включения позволяет коммутировать очень большие токи с большой скоростью нарастания. Так, РВД с диаметром кремния 76 мм после прохождения импульса накачки коммутирует ток в 200 кА со скоростью нарастания 50 кА/мкс. В принципе, РВД на доступном сейчас диаметре кремния 140 мм будет коммутировать ток около миллиона ампер. Ограничивающим процессом является тепловой шнурование: когда концентрация термогенерируемых носителей приближается к концентрации инжектированной плазмы в минимуме, происходит локализация тока и разрушение прибора. Наиболее мощной РВД-системой сейчас является конденсаторная батарея с энергией 5 МДж при 24 кВ для накачки мощного неодимового лазера (установка «Луч»), созданная в Федеральном Ядерном центре ВНИИЭФ. Батарея состоит из 18 модулей с РВД-коммутаторами на кремнии диаметром 63 мм, каждый из которых коммутирует ток в 80 кА. Батарея безотказно работает с 2002 г.
III. Силовая электроника на основе карбида кремния (SiC)
В заключение, несколько слов о перспективах силовой электроники. В течение всего полувекового господства кремния в силовой электронике было ясно, что карбид кремния по своим физическим свойствам является гораздо более перспективным материалом. Сравнительные параметры этих материалов: SiC имеет на порядок большую напряженность поля лавинного пробоя, втрое большую теплопроводность и вдвое – насыщенную скорость электронов. Рабочая температура у него примерно втрое выше из-за большей ширины зоны, на два порядка выше радиационная стойкость. Такое сочетание параметров позволяет резко улучшить характеристики практически всех приборов силовой электроники и преобразователей на их основе. Реально SiC приборного качества стал коммерчески доступным в последние 5-6 лет, и работы по созданию SiC-силовой электроники начали развиваться очень быстро, причем сейчас США являются бесспорным лидером. Предполагается, что к 2015 г. основная часть военной и значительная часть общепромышленной силовой электроники там будут базироваться на SiC.
В 80х годах СССР лидировал в области SiC-технологий, но затем в связи с известными событиями финансирование этих работ прекратилось и созданные технологии ушли за рубеж вместе с эмигрантами. В США при широкой государственной поддержке началось очень быстрое развитие SiC-технологий, которое сейчас идет с нарастающим темпом. Если не принять решительных мер, наше отставание скоро станет безнадежным. До недавнего времени именно такой ход событий представлялся неизбежным, однако сейчас появились некоторые надежды.
При поддержке руководства Республики Мордовия и федеральных программ начаты работы по созданию в г.Саранске Научно-производственного комплекса широкозонных материалов, где планируется в течение нескольких лет организовать небольшое производство с полным циклом: SiC—монокристаллы, пластины, epi-пленки и приборы на их основе. Одновременно с этим в С.-Петербурге ведутся работы по созданию научного и технологического задела для этого производства. В целом, работа по созданию в России SiC-электроники сдвинулась с мертвой точки, но положение остается угрожающим – темп работ явно недостаточен для того, чтобы наверстать пятнадцатилетнее отставание.
В обсуждении доклада приняли участие:
Академик Данилевич Януш Брониславович: Мы оценивали потенциал применения электроники. Он довольно большой. Но при применении возникает множество проблем. Нужно организовать широкое исследование этих систем, чтобы снизить отрицательные моменты. Но главный вопрос – организация производства приборов, которое развалилось 15 лет назад.
Ковалев В.Д., Генеральный директор Электротехнического института им. В.И. Ленина сообщил, что на сегодняшний день силовые теристоры находятся на хорошем уровне, наш институт ведет работу в этом направлении. Два года назад нами разработана программа развития полупроводниковых приборов (4, 5 млрд. руб.). В ней завязаны все институты и производители. Но программу не удалось утвердить в Минобрнауки. Некоторые проекты этой программы осуществляются в рамках ФЦИ «Развитие научно-технической базы». Отечественные преобразователи лучше зарубежных аналогов, потребность в них возрастает. Если бы удалось утвердить программу, производство существенно продвинулось бы.
Лисев О.Э., Генеральный директор ЗАО «Электротекс» сказал, что их предприятие производит продукцию, не уступающую лучшим западным образцам. Продукция разработана силами самого предприятия. Но полупроводниковая база отстает. Мы обеспечиваем российскую промышленность, но отрасли, с которыми мы работаем, не имеют достаточных средств. Поэтому мы не можем увеличить производство. Нужно, чтобы государство утвердило нормативы, предполагающие обязательное использование энергосберегающего оборудования. Необходимо также изменить таможенную политику и стимулировать использование отечественной промышленностью полупроводниковых приборов.
Академик Рутберг Филипп Григорьевич: При всем удобстве полупроводниковых приборов, они пока еще очень дороги. Сейчас появляется класс приборов, не требующих большой величины тока. Таких приборов требуется десятки тысяч. Уже пять лет назад мы организовали производство на заводе «Электросила». Затем наступил коллапс, когда большая часть завода перешла фирме «Сименс». Необходимо решить вопрос с производством. Исследования нужно продолжать. РАН может профинансировать эти работы. Необходимо только несколько усилить финансирование.
Академик Месяц Геннадий Андревич в первую очередь отметил, что был представлен очень интересный доклад о выдающихся работах выдающегося института, который в свое время занимал ведущее место не только в стране, но и в мире по разработке все новых видов импульсных полупроводниковых приборов. Они пользуются огромным спросом за рубежом, в том числе, в США. Институту удалось сохранить высокий уровень фундаментальных исследований. И.В. Грехов и его сотрудники пошли на полуразваливающиеся предприятия и сумели наладить там производство приборов. Это по-настоящему высокие технологии. Если мы сейчас занимаемся нанотехнологиями, необходимо создать условия для И.В. Грехова, чтобы он со своим коллективом мог продолжать и развивать это направление. Хорошо бы историкам науки написать книгу «Загубленные технологии страны». То, что мы слышали сегодня – лишь одна из нескольких технологий, в которых мы не уступили своих позиций.
Академик Некипелов Александр Дмитриевич: Каждый раз, когда мы говорим об упущенных возможностях, нас это очень беспокоит. Может быть, нам следует в таких случаях готовить небольшую записку по результатам докладов и рассылать ее в профильные министерства и ведомства. Возможно, это даст какой-то эффект, так как существует информационный дефицит во взаимоотношениях с органами власти.
Члены Президиума обсудили и приняли решения по ряду других научно-организационных вопросов.
Информация предоставлена Пресс-службой РАН.
Пресс-служба РАН: Руководитель - Преснякова Ирина Васильевна
тел./факс: 954 11 45 E-mail - irina@presidium.ras.ru
Главный специалист - Бадо Анна Ефимовна тел: 237 90 02; E-mail – novo@presidium.ras.ru
Главный специалист – Каменева Валентина Сергеевна. Тел. 237-81-15 E-mail – vskameneva@presidium.ras.ru
Главный специалист Колесникова Марина Валерьевна т/ф.: 718 17 55
E-mail - mvel@mail.ru; marina@presidium.ras.ru