Um die CO2-Emissionen in die Atmosphäre zu reduzieren, muss auf die Nutzung von Wärmekraftwerken verzichtet und auf umweltfreundliche Energie umgestellt werden. Ein solcher Übergang kann nicht gleichzeitig erfolgen. Zunächst müssen Sie die Effizienz der Nutzung bereits erzeugten Stroms erhöhen, die Verluste beim Transport zum Verbraucher verringern und auf verschiedene Formen umstellen. Ein Schlüsselelement zur Lösung dieser Probleme ist die Leistungselektronik und Leistungshalbleiterbauelemente.
Da Energielösungen eines der wichtigsten Segmente unseres Geschäfts sind, halten wir es für wichtig, darüber zu sprechen, wie unsere Arbeit dazu beiträgt, die Welt sauberer zu machen. Insbesondere die von uns hergestellten Leistungshalbleiter können erheblich Strom sparen und damit auf den Bau umweltschädlicher Kraftwerke verzichten. Lassen Sie uns herausfinden, wie sich Leistungshalbleiter von normalen unterscheiden, und herausfinden, welche Eigenschaften Strom sparen und den CO2-Ausstoß reduzieren können.
Merkmale von Leistungshalbleiterbauelementen
Wenn Sie sich nicht mit der Theorie befassen, sind Leistungshalbleiterbauelemente dieselben Dioden, Transistoren und Thyristoren, die unter Berücksichtigung des Anwendungsbereichs modifiziert wurden. Im Gegensatz zu mikroelektronischen Bauelementen werden Leistungshalbleiter bei Strömen von zehn, Hunderten und Tausenden von Ampere und Spannungen von Hunderten von Megavolt verwendet. Solche Lasten erfordern spezielle Konstruktionslösungen, um einen Ausfall des pn-Übergangs zu vermeiden.
Die Basis einer leistungsstarken
Leistungsdiode ist beispielsweise eine dünne Platte aus Silizium-Einkristall, in der ein pn-Übergang gebildet wird. Um zu verhindern, dass die Platte durch Erhitzen reißt, wird sie mit Silberlot auf thermokompensierende Scheiben aus Wolfram oder Molybdän mit einer Dicke von bis zu 3 mm gelötet. Das resultierende „Sandwich“ wird in ein versiegeltes Gehäuse mit Stift- oder Tablettdesign gelegt.
Pin-Diodendesign. Quelle
Das Hauptelement für die Umwandlung von Elektrizität mit hoher Leistung - zehn Megavolt und mehr - ist ein
Hochspannungsthyristor . Strukturell besteht es aus vier Schichten aus Silizium mit alternierender Leitfähigkeit, an deren Grenze drei pn-Übergänge gebildet werden. Zwei extreme Übergänge sind die Anode und die Kathode, und der mittlere ist der Kontrollübergang.
Der Thyristor hat zwei stabile Zustände: "offen" (Strom fließt) und "geschlossen" (kein Strom). Der Zustand ändert sich unter dem Einfluss der Spannung an der Steuerelektrode. Das Umschalten selbst erfolgt sehr schnell, wenn auch nicht sofort. In Wechselspannungskreisen lässt der Thyristor nur eine Halbwelle durch - die obere. Wenn die untere Halbwelle eintrifft, wird sie in den Zustand „geschlossen“ zurückgesetzt. Diese Eigenschaft des Thyristors wird beim Schalten von Stromversorgungen verwendet, um eine Sinuskurve in Impulse umzuwandeln.
Auf Basis von Thyristoren werden Hochleistungswandler in Gleichstromleitungen (Stromleitungen), Gleichstromeinsätzen zwischen Stromversorgungssystemen und statischen Blindleistungskompensatoren in Wechselstromleitungen erzeugt.
Das Gerät eines Hochspannungsthyristors. Quelle
Die Hauptstromverbraucher arbeiten mit Kapazitäten unter Megawolt. Das gebräuchlichste Leistungselement für diesen Bereich ist der
Bipolarfeldtransistor , Bipolartransistor mit isoliertem Gate, IGBT. IGBT ist eine leistungsintegrierte Schaltung vieler Elementarzellen. Jede Zelle besteht aus einem Hochspannungstipolartransistor mit einem Feldeffekttransistor, der in der Steuerschaltung enthalten ist. Vorteile von IGBT - geringer Stromverbrauch im Steuerkreis zum Ein- und Ausschalten und hohe Geschwindigkeit.
Zum Aufbau von Wandlern mit geringer Leistung werden
MOS-Transistoren , Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren und MOSFETs verwendet. Diese Vorrichtungen werden auch in Form einer leistungsintegrierten Schaltung hergestellt, die Hunderttausende von Transistorzellen enthält. Die Betriebsspannung für MOS-Schaltungen beträgt in der Regel weniger als 500 V, der Betriebsstrom beträgt bis zu Hunderte von Ampere.
Wo und warum werden Halbleiterbauelemente eingesetzt?
Industrieanlagen
Leistungshalbleiterbauelemente erhöhen aufgrund ihrer Wirtschaftlichkeit, Steuerbarkeit und hohen Effizienz die Effizienz der Stromumwandlung. Softstarter, unterbrechungsfreie Stromversorgungen, Elektromotoren und verschiedene elektrische Anlagen verbrauchen weniger und halten aufgrund der Verwendung leistungselektronischer Komponenten länger.
In Geräten, die einen Elektromotor enthalten, wird mehr als die Hälfte des verbrauchten Stroms für die Sicherstellung seiner Rotation aufgewendet. Ein einstellbarer Halbleiterfrequenzwandler reduziert den Stromverbrauch um 30%, ohne andere Spezifikationen zu beeinflussen.
Elektrische Netze
Durch den Einsatz von Halbleiterkonvertern beim Transport und der Verteilung von Elektrizität können bis zu 25% des Stroms eingespart werden. Die weit verbreitete Einführung von Halbleiter-Leistungskomponenten ermöglicht es Ihnen daher, den Bau neuer Kraftwerke aufzugeben und auf die Kapazitäten bestehender Kraftwerke zu verzichten.
Solarkraftwerke
Von Sonnenkollektoren erhaltener Strom muss für die Übertragung in das Stromnetz oder für den Hausgebrauch umgewandelt werden. Der Einsatz von Leistungshalbleiterbauelementen zur Steuerung von Solarkraftwerken erhöht deren Effizienz.
Elektrischer Transport
Elektroautos nutzen die in Batterien gespeicherte Energie. Dank des Einsatzes von Leistungselektronik erfolgt die Energieumwandlung für die Bedürfnisse verschiedener Verbraucher im Auto mit minimalen Verlusten. Mit der Wiederherstellungstechnologie können Sie die Bremsenergie in das Aufladen der Batterien investieren und die Kilometerleistung erhöhen.
Darüber hinaus ist es interessant, dass die rasante Entwicklung des elektrischen Transports die Hersteller von Halbleiterbauelementen dazu zwang, nach neuen, energieeffizienteren Materialien zu suchen, um neue Leistungskomponenten herzustellen. Analytischen Studien zufolge wandelt die Halbleiterindustrie ihre Kapazitäten massiv auf die Verwendung von Siliziumkarbid und Galliumnitrid anstelle gewöhnlicher Siliziumkristalle um.
Leistungselemente aus neuen Materialien sind viel kompakter als herkömmliche Siliziumelemente, was darauf hindeutet, dass die Netzteile der neuen Generation um 80-90% weniger werden. Darüber hinaus haben Verbindungen, die diese Materialien verwenden, eine 10-mal höhere spezifische Leistung, arbeiten bei höheren Frequenzen und in einem breiteren Temperaturbereich, und der Widerstandsgrad im offenen Zustand und die Leckströme sind erheblich niedriger als der von Siliziumgegenstücken.
Perspektiven
Viele Regierungen haben Programme zur Reduzierung der Kohlendioxidemissionen verabschiedet. Beispielsweise plant die spanische Regierung, die CO2-Emissionen bis 2030 um 20% und bis 2050 gegenüber 1990 um 90% zu senken. Die Vorreiterrolle bei der Reduzierung der Emissionen wird der Elektrizitätswirtschaft übertragen, und die Umgestaltung anderer Industrien soll später durchgeführt werden.
CO2-Reduktionsplan nach Branchen. Spanien, 2019. Quelle
Es wird geschätzt, dass die Kapazität der nationalen Elektrizitätsindustrie bis 2030 157 GW erreichen sollte. Davon werden 50 GW von Windkraftanlagen und 37 GW - Photovoltaik-Solarkraftwerke, 27 GW - Kombikraftwerke bereitgestellt.
Darüber hinaus sieht das Gesetzespaket vor, dass ab 2040 in Spanien nur noch emissionsfreie Autos gekauft werden dürfen.
Ähnliche Gesetzespakete wurden bereits verabschiedet oder werden in EU-Ländern geprüft. Dies bedeutet, dass wir in den kommenden Jahrzehnten ein schnelles Umsatzwachstum bei Leistungshalbleiterbauelementen erwarten können, da ohne diese die Umsetzung der geplanten Maßnahmen zur Verbesserung der Umweltsituation einfach unmöglich ist.