Силовой электроникой называют область науки и техники, которая решает проблему создания силовых электронных приборов, а также проблемы получения значительной электрической энергии, управления мощными электрическими процессами и преобразования электрической энергии в достаточно большую энергию другого вида при использовании в качестве основного инструмента этих приборов.
Ниже рассматриваются устройства силовой электроники на основе полупроводниковых приборов. Именно эти приборы используются наиболее широко.
Для получения электрической энергии уже длительное время используются рассмотренные выше солнечные элементы. В настоящее время доля этой энергии в общем объеме электроэнергии невелика. Однако многие ученые, к которым относится и лауреат Нобелевской премии академик Ж.И. Алферов, считают солнечные элементы очень перспективными источниками электрической энергии, не нарушающими энергетический баланс на Земле.
Управление мощными электрическими процессами является именно той проблемой, при решении которой силовые полупроводниковые приборы уже очень широко используются, а интенсивность их применения быстро возрастает. Это объясняется достоинствами силовых полупроводниковых приборов, основными из которых являются высокое быстродействие, малое падение напряжения в открытом состоянии и малый ток в закрытом состоянии (что обеспечивает малые потери мощности), высокая надежность, значительная нагрузочная способность по току и напряжению, малые размеры и вес, простота в управлении, органическое единство с полупроводниковыми устройствами информативной электроники, что облегчает объединение сильноточных и слаботочных элементов.
Во многих странах развернуты интенсивные научно-исследовательские работы по силовой электронике и благодаря этому силовые полупроводниковые приборы, а также электронные устройства на их основе постоянно совершенствуются. Это обеспечивает быстрое расширение области применения силовой электроники, что, в свою очередь, стимулирует научные исследования. Здесь можно говорить о положительной обратной связи в масштабах целой области человеческой деятельности. Результатом является стремительное проникновение силовой электроники в самые различные области техники.
Особенно быстрое распространение устройств силовой электроники началось после создания силовых полевых транзисторов и IGBT.
Этому предшествовал достаточно длительный период, когда основным силовым полупроводниковым прибором был незапираемый тиристор, созданный в 50е годы прошлого столетия. Незапираемые тиристоры сыграли выдающуюся роль в развитии силовой электроники и широко используются в наше время. Но невозможность выключения с помощью импульсов управления часто затрудняет их применение. Десятилетия разработчикам силовых устройств приходилось смиряться с этим недостатком, используя в ряде случаев довольно сложные узлы силовых схем для выключения тиристоров.
Широкое распространение тиристоров обусловило популярность возникшего в то время термина «тиристорная техника», который использовали в том же смысле, что и термин «силовая электроника».
Разработанные в указанный период силовые биполярные транзисторы нашли свою область применения, но радикально ситуацию в силовой электронике не изменили.
Только с появлением силовых полевых транзисторов и 10 ВТ в руках инженеров оказались полностью управляемые электронные ключи, приближающиеся по своим свойствам к идеальным. Это резко облегчило решение самых различных задач по управлению мощными электрическими процессами. Наличие достаточно совершенных электронных ключей дает возможность не только мгновенно подключать нагрузку к источнику постоянного или переменного напряжения и отключать ее, но и формировать для нее очень большие сигналы тока или напряжения практически любой требуемой формы.
Наиболее распространенными типовыми устройствами силовой электроники являются:
• бесконтактные переключающие устройства переменного и постоянного тока (прерыватели), предназначенные для включения или выключения нагрузки в цепи переменного или постоянного тока и, иногда, для регулирования мощности нагрузки;
• выпрямители, преобразующие переменное напряжение в напряжение одной полярности (однонаправленное);
• инверторы, преобразующие постоянное напряжение в переменное;
• преобразователи частоты, преобразующие переменное напряжение одной частоты в переменное напряжение другой частоты;
• преобразователи постоянного напряжения (конверторы), преобразующие постоянное напряжение одной величины в постоянное напряжение другой величины;
• преобразователи числа фаз, преобразующие переменное напряжение с одним числом фаз в переменное напряжение с другим числом фаз (обычно однофазное напряжение преобразуется в трехфазное или трехфазное — в однофазное);
• компенсаторы (корректоры коэффициента мощности), предназначенные для компенсации реактивной мощности в питающей сети переменного напряжения и для компенсации искажений формы тока и напряжения.
По существу устройства силовой электроники выполняют преобразование мощных электрических сигналов. Поэтому силовую электронику называют также преобразовательной техникой.
Устройства силовой электроники, как типовые, так и специализированные, используются во всех областях техники и практически в любом достаточно сложном научном оборудовании.
В качестве иллюстрации укажем некоторые объекты, в которых устройства силовой электроники выполняют важные функции:
• электропривод (регулирование скорости и момента вращения и др.);
• установки для электролиза (цветная металлургия, химическая промышленность);
• электрооборудование для передачи электроэнергии на большие расстояния на постоянном токе;
• электрометаллургическое оборудование (электромагнитное перемешивание металла и др.);
• электротермические установки (индукционный нагрев и др.);
• электрооборудование для зарядки аккумуляторов;
• компьютеры;
• электрооборудование автомобилей и тракторов;
• электрооборудование самолетов и космических аппаратов;
• устройства радиосвязи;
• оборудование для телевещания;
• устройства для электроосвещения (питание люминесцентных ламп и др.);
• медицинское электрооборудование (ультразвуковая терапия и хирургия и др.);
• электроинструмент;
• устройства бытовой электроники.
Развитие силовой электроники изменяет и сами подходы к решению технических задач. К примеру, создание силовых полевых транзисторов и IGBT существенно способствует расширению области применения индукторных двигателей, которые в ряде областей вытесняют коллекторные двигатели.
Существенным фактором, благотворно влияющим на распространение устройств силовой электроники, являются успехи информативной электроники и, в частности, микропроцессорной техники. Для управления мощными электрическими процессами используются все более сложные алгоритмы, которые могут быть рационально реализованы только при применении достаточно совершенных устройств информативной электроники.
Эффективное совместное использование достижений силовой и информативной электроники дает действительно выдающиеся результаты.
Существующие устройства для преобразования электрической энергии в энергию другого вида при непосредственном использовании полупроводниковых приборов еще не имеют большой выходной мощности. Однако и здесь получены обнадеживающие результаты.
Полупроводниковые лазеры превращают электрическую энергию в энергию когерентного излучения в ультрафиолетовом, видимом и в инфракрасном диапазонах. Эти лазеры были предложены в 1959 г., а впервые реализованы на основе арсенида галлия (GaAs) в 1962 г. Лазеры на основе полупроводников отличаются высоким коэффициентом полезного действия (выше 10 %) и большим сроком службы. Их применяют, к примеру, в инфракрасных прожекторах.
Сверхъяркие светодиоды белого свечения, появившиеся в 90х годах прошлого века, уже используются в ряде случаев для освещения вместо ламп накаливания. Светодиоды существенно более экономичны и имеют значительно больший срок службы. Предполагается, что область применения светодиодных светильников будет быстро расширяться.
