Отечественные тиристоры и диоды на основе кремния, а также мощные импульсные СПП конкурентоспособны в России и в мире, но ситуация с производством новых поколений СПП в России гораздо хуже

2020-05-19 15:11

Начальник управления перспективных разработок ПАО «Электровыпрямитель» Гейфман Евгений Моисеевич предлагает разработать меры поддержки силового полупроводникового приборостроения в России, в том числе, на основе анализа Национальных проектов, Государственных и Комплексных целевых Программ развития энергоёмких отраслей экономики России, планов инновационного развития крупнейших отечественных потребителей и производителей преобразователей электрической энергии, а также тенденций развития силового полупроводникового приборостроения в мире.

ПАО «Электровыпрямитель» существует на рынке уже 79 лет. С чего всё начиналось и что удалось достигнуть за прошедшие годы?

История завода начинается с 23 июля 1941 года, когда был подписан приказ Народного комиссариата электропромышленности СССР о создании единой базы для производства твердых выпрямителей.

В октябре 1941 года завод начинает выпускать первую продукцию для нужд фронта.
В номенклатуре основное место занимали выпрямительные селеновые аппараты, предназначенные для зарядки аккумуляторных батарей артиллерийских тягачей, ртутные зарядные станции для военных аэродромов и другие выпрямители для фронта и тыла.
В конце 50х - начале 60х годов на заводе, совместо с ведущими учёными физико-технического института имени А.Ф. Иоффе, лаборатории профессора В.М. Тучкевича, ставшими академиками РАН – Ж.И, Алфровым и И.В. Греховым, были заложнены основы силовой полупроводниковой преобразовательной техники СССР.

В 1960 году на завод была передана диффузионная технология создания p-n – переходов в монокристаллическом кремнии. В этом же году начат выпуск кремниевых вентилей «ВК-100» и «ВК-200», а также аппаратов ВАКГ-121600 и ВАЗГ 39/54.
В 1966 году группе сотрудников завода и ученых ФТИ им. А.Ф. Иоффе была присуждена Ленинская премия в области науки и техники за «Исследования сложных структур с p-n –переходами, разработку технологии изготовления и внедрение в серийное производство силовых кремниевых вентилей».

В этом же году завод был награжден первым орденом Трудового Красного Знамени.
В течении всех прошедших лет и до настоящего времени ПАО «Электровыпрямитель» остается лидером отечественного силового полупроводникового приборостроения. На предприятии внедряются новые технологии, разрабатываются и осваиваются в серийном производстве новые поколения высокотехнологичных силовых полупроводниковых приборов(СПП) и преобразователей электрической энергии.

В настоящее время по своим параметрам СПП производства ПАО «Электровыпрямитель» соответствуют или превосходят лучшие зарубежные и отечественные аналоги. Объём производства продукции силовой электроники на предприятии превышает 4 миллиарда рублей в год, а СПП производства ПАО «Электровыпрямитель» занимают более 60 процентов отечественного рынка и экспортируются в 30 стран мира, в том числе: Швейцарию, Италию, Китай, Индию.

В 2006 году группе сотрудников завода, ученых ФТИ им. А.Ф. Иоффе и ВЭИ им. В.И. Ленина была присуждена премия Правительства Российской Федерации в области науки и техники за комплекс работ по созданию и освоению производства нового поколения мощных тиристоров и диодов для энергоемких отраслей промышленности, энергетики и транспорта.

Какими возможностями ПАО «Электровыпрямитель» обладает сегодня? Какие наиболее знаковые проекты за последние 5 лет Вы бы выделили?

Сегодня ПАО «Электровыпрямитель» крупнейший в России научно-производственный комплекс в области разработки и производства СПП. На предприятии трудится более трёх тысяч сотрудников. Имеются два крупных научно-инженерных центра, управление перспективных разработок, отдел главного технолога. В этих подразделениях предприятия трудятся более трехсот высококвалифицированных научных и инженерно-технических сотрудников, в том числе доктора и кандидаты наук, квалифицированные рабочие.
За последние годы на ПАО «Электровыпрямитель» разработан и освоен в производстве целые ряд новых силовых полупроводниковых приборов, в том числе:
- диоды, тиристоры, фототиристоры, симисторы на токи до 5000 ампер и напряжением до 8500 вольт;
- IGBT/SFRD и диодно/тиристорные модули на токи до 4800 ампер и напряжение до 6500 вольт;
- гибридные IGBT модули с диодами Шоттки на карбиде кремния;
- силовые блоки, в том числе: выпрямители (на токи до 32 000 ампер и напряжение до 10 000 вольт), ключи переменного тока (на токи до 5000 ампер и напряжение до 6300 вольт), импульсные коммутаторы (на токи до 250 000 ампер и напряжение до 25 000 вольт).

В каких сферах применяются полупроводниковая продукция ПАО «Электровыпрямитель»?

ПАО «Электровыпрямитель» является одним из ведущих отечественных предприятий в области разработки и производства продукции силовой электроники - мощных преобразователей электрической энергии и СПП, которые являются основными активными элементами преобразователя.

Силовая электроника – это область электроники, связанная с преобразованием или коммутацией электрической энергии. Основной задачей силовой электроники является минимизация потерь энергии при преобразовании и управлении потоками электрической энергии.

Большие резервы для экономии электроэнергии находятся в области электропривода,
где используется более 50% всей вырабатываемой электроэнергии: переход на асинхронный привод, имеющий частотное регулирование скорости вращения с помощью полупроводникового преобразователя, экономит в среднем 25%, а на электротранспорте регулируемый асинхронный привод с рекуперацией в сеть энергии торможения экономит более 30% энергии.

Значительную экономию дают полупроводниковые устройства в самой энергетике.
Так, современные высоковольтные линии электропередач постоянного тока, позволяющие передавать с малыми потерями электроэнергию на тысячи километров, оборудованы выпрямительно-инверторными преобразователями мощностью в тысячи мегаватт. Полупроводниковые вставки постоянного тока между энергосистемами переменного тока резко повышают надёжность и устойчивость этих систем. Большую экономию дают полупроводниковые компенсаторы реактивной мощности и другая полупроводниковая аппаратура, которая обеспечивает рост пропускной способности и снижение потерь в современных линиях электропередач переменного тока. Колоссальные потоки электроэнергии проходят через полупроводниковые преобразователи
в металлургии, в производстве алюминия и меди и т.д. Что же касается альтернативной энергетики, то в ней через полупроводниковые преобразователи проходит практически вся вырабатываемая электроэнергия.

Очень важной областью применения силовой электроники является мощная импульсная техника.

Электрические импульсы с пиковой мощностью от мегаватт до тераватт и длительностью от десятков пикосекунд до сотен микросекунд используются в целом ряде областей современной техники – релятивистской СВЧ-электронике, сверхширокополосной радиолокации, электромагнитном противодействии, системах питания мощных лазеров и ускорителей, плазмохимических технологиях и т.д.

Реальная возможность создания больших импульсных систем на основе полупроводниковых переключателей с неограниченным ресурсом и высокой надежностью появилась после того, как в Физико-техническом институте, лаборатории академика РАН И.В. Грехова, были предложены новые принципы коммутации больших мощностей полупроводниковыми приборами, позволившие резко – на порядки величины – увеличить их импульсную мощность.

В настоящее время в ПАО «Электровыпрямитель» разработана серия высоковольтных полупроводниковых коммутаторов тока для импульсных применений, взамен игнитронов
и вакуумных разрядников. Коммутаторы на основе реверсивно включаемых динисторов (РВД) используются при создании в Федеральном ядерном центре в г. Сарове уникальной мегаджоульной лазерной установки для работ в области термоядерного синтеза. Суммарная амплитуда импульса тока через РВД-коммутаторы этой установки составляет 112 МегаАмпер при длительности импульса 300 мкс; полупроводниковых коммутаторов такой мощности в мире не существует.

Поэтому продукция ПАО «Электровыпрямитель» широко используется во всех энергоёмких отраслях экономики России и многих зарубежных стран, в том числе в:
- транспортном машиностроении, включая электрифицированный железнодорожный транспорт, электромобили, судостроение (в том числе атомные ледоколы);
- энергетике, включая атомную энергетику, производстве возобновляемых источников электроэнергии (солнечная энергетика, ветроэнергетика), современных технологий передачи электроэнергии, компенсаторов реактивной мощности;
- мощном электроприводе;
- военной технике
и других важнейших отраслей экономики.

Кто является основными потребителями силовой электроники?

Основными потребителями СПП и преобразователей производства нашего предприятия являются крупнейшие российские и зарубежные компании – производители мощных преобразователей электрической энергии и источников электропитания, в том числе ОАО «РЖД», АО «ТРАНСМАШХОЛДИНГ», ПАО «РОССЕТИ», ГК «РОСАТОМ», ГК «РОСТЕХ», ПАО «ГАЗПРОМ», АО «ОСК», ПАО «ТРАНСНЕФТЬ», ПАО «СИЛОВЫЕ МАШИНЫ» и ряд других отечественных и зарубежных компаний.
Поэтому состояние развития и производства изделий силовой электроники выпускаемых ПАО «Электровыпрямитель» оказывает существенное влияние на темпы роста экономики России и её экономическую безопасность.

Какие основные направления перспективного развития силового полупроводникового приборостроения?

К СПП относятся такие мощные полупроводниковые приборы как – диоды (биполярные и полевые), транзисторы (биполярные и полевые), биполярные тиристоры и модули на основе этих приборов. В мире происходит динамичный рост производства СПП (рис.1). Особенно быстро растёт производство СПП новых поколений:
- модулей - биполярных транзисторов с изолированным затвором (англ.: IGBT, Insulated Gate Bipolar Transistor), в том числе интеллектуальных (IPM). Интеллектуальные модули – это IGBT модули, в которых в одном корпусе интегрирован силовой ключ и драйвер управления затворами транзистора. Драйвер может иметь встроенные защитные и диагностические функции – защиты от перегрузки по току, перегрева, падения напряжения питания, выброса обратного напряжения при выключении и некоторые другие.
- СПП на основе широкозонного полупроводникового материала – карбида кремния (SiC Devices).

Рисунок 1 – Динамика производства силовых полупроводниковых приборов и модулей в 2013-2023 годах.

В настоящее время большая часть СПП изготавливается на основе полупроводникового материала – кремния(Si). Биполярные тиристоры и диоды на основе кремния широко используются в преобразовательных устройствах в высоковольтных объектах электроэнергетики, транспортном машиностроении и других отраслях, где требуются высокая надежность и большой срок службы.

Ведущие фирмы в области силовой электроники непрерывно разрабатывают тиристоры и диоды со все более высоким напряжением и большими диаметрами кремниевых полупроводниковых структур. Повышение блокирующего рабочего напряжения низкочастотных тиристоров является одним из важнейших трендов силовой полупроводниковой электроники. Некоторые из зарубежных компаний уже представили результаты разработки и серийного выпуска тиристоров для сверхвысоких напряжений (до 13 кВ) с диаметром пластин кремния 6 дюймов.

Особое внимание уделяется развитию производства новых поколений СПП на кремнии – полностью управляемых ключей - IGBT, и быстровосстанавливающихся диодов (англ.: FRD, Fast Recovered Diode), давших мощный толчок развитию силовой электроники. Разработанная и освоенная, за последние 25 лет крупнейшими зарубежными электронными компаниями технология производства чипов IGBT и FRD, также модулей на их основе позволила этому классу приборов быстро занять ведущее положение во многих областях применения.

В связи с ростом объёмов производства СПП в мире, ведущие производители кристаллов СПП на основе Si, с целью снижения их себестоимости, вкладывают значительные инвестиции в создание производства кристаллов СПП на основе пластин Si диаметром 300 миллиметров. В частности, компания Infineon Technology, вложила 1.9 миллиардов долларов США в строительство завода, производящего кристаллы СПП на пластинах Si диаметром 300 миллиметров.

Объём производства новых поколений СПП на основе SiC пока не велик - около 400 млн. долларов США (менее 5% от общего объёма СПП), но уже к 2023 объём производства возрастёт до 1400 млн. долларов США (более 12.5% от общего объёма СПП) (рис.2).
Это происходит благодаря уникальным электрофизическим свойствам SiC, позволившим создать на его основе высоковольтные и высокотемпературные СПП с очень низкими коммутационными потерями (рис.3). На их основе уже созданы мощные малогабаритные преобразователи электрической энергии с КПД более 99%.
Ключевыми факторами обеспечивающими рост потребности в СПП на SiC является расширение производства преобразователей электроэнергии новых поколений, обусловленное в первую очередь
- электрификацией автомобильного транспорта (электромобили, электробусы и станции
их подзарядки);
-расширение производства возобновляемых источников электроэнергии (солнечная энергетика, ветроэнергетика);
- электропривод, железнодорожный транспорт.

Рисунок 2 - Информация о международном рынке полупроводниковых приборов на основе SiC и основных областях их применения в 2017-2023 годах.

Дальнейший прогресс в области импульсной техники также будет, во многом, связан с разработкой приборов на основе карбида кремния.

Исходя из этого ведущими зарубежными фирмами, при активной поддержке правительств своих стран, ведется большой объем разработок новых конструкций СПП на SiC и технологий их производства. Например, фирма Cree Inc.(США) вкладывает более 1 млрд. долларов США в строительство нового завода по производству СПП на основе структур SiC диаметром 200 миллиметров.

Какие вызовы стоят перед отечественной ЭКБ для силовой электроники и как видятся пути их преодоления?

Основные цели развития и вызовы для всех видов ЭКБ электроники в России указаны в Стратегии развития электронной промышленности Российской Федерации на период до 2030 года (далее – Стратегия).

В частности там сказано, что целью развития электронной промышленности является обеспечение роста объема выручки организаций отрасли к 2030 году почти в три раза - до 5220 млрд. рублей при доле гражданской продукции в общем объеме производства промышленной продукции (по выручке) не менее 87,9 процента. При этом объем экспорта электронной продукции также должен увеличиться в три раза, до 12020 млн. долларов США.

Основным направлением развития отрасли должно стать создание высокотехнологичной продукции на базе российских технических решений, обеспечивающей реализацию национальных проектов, а также доминирование на внутреннем рынке электронной продукции, критически значимой для обеспечения национальной безопасности, технологического и экономического развития.

Аналогичные задачи и вызовы стоят и перед отечественной ЭКБ для силовой электроники.
В настоящее время отечественные тиристоры и диоды на основе кремния, а также мощные импульсные СПП, являются конкурентоспособными на отечественном и мировом рынке. Поэтому они занимают более 80 процентов рынка России и экспортируются в 30 стран мира.

К сожалению, ситуация с производством новых поколений СПП в России гораздо хуже. Их технический уровень и ассортимент существенно уступает лучшим зарубежным образцам. Поэтому доля отечественных СПП новых поколений даже на рынке России существенно ниже. Также в России велика доля поставок импортных преобразователей укомплектованных импортными СПП.

К тому же в России через полупроводниковые преобразователи проходит только примерно 30% всей вырабатываемой электроэнергии, в то время как в зарубежных промышленно развитых странах более 70% вырабатываемой электроэнергии проходит через полупроводниковые преобразователи.

Как показывают оценки, увеличение доли преобразуемой электроэнергии в России до мирового уровня позволит с одной стороны экономить 12-15% всей вырабатываемой электроэнергии и, следовательно, снизить себестоимость многих видов продукции, а с другой стороны существенно увеличить ёмкость отечественного рынка силовой электроники.

Следовательно, ускоренное развитие отечественной высокотехнологичной силовой полупроводниковой преобразовательной техники позволит с одной стороны быстро и наименее затратно добиться ощутимого снижения энергоёмкости валового внутреннего продукта (ВВП) и повышения его конкурентоспособности на отечественном и мировом рынке, а с другой стороны позволит резко (более чем в три раза) увеличить объём производства и потребления отечественных СПП. При этом, конечно, должны быть созданы и серийно производится отечественные СПП новых поколений, которые по своим параметрам будут соответствовать или превосходить лучшие зарубежные аналоги.
С учётом этого в разделе 2 Стратегии – Мероприятия и целевые индикаторы реализации Стратегии, указано, что в части ключевого направления "Научно-техническое развитие" предусматривается – разработать и промышленно освоить технологии создания и производства силовой электроники. В том числе: разработать и промышленно освоить технологии для производства силовой электроники на основе SiC, высоковольтной (до 6500В и 1200А) и высокотемпературной (до 4500 С); разработать и промышленно освоить ключевые технологии и производства: полупроводниковых материалов во всех необходимых формах (поли- и монокристаллический кремний, карбид кремния, монокристаллический алмаз), эпитаксиальных структур.

К сожалению, в последние годы вопросам развития силового электронного приборостроения на государственном уровне не уделялось должного внимания. Если эта ситуация не изменится, то в долгосрочной перспективе невозможно будет сохранить конкурентоспособность отечественного производства СПП. Это создаст угрозу национальной и экономической безопасности России.
Исходя из вышеизложенного, с целью выполнения Мероприятий и целевых индикаторов реализации Стратегии, а также развития отечественного силового полупроводникового приборостроения и сохранения конкурентоспособности отечественных СПП на рынке России и зарубежных рынках, предлагаю разработать меры поддержки силового полупроводникового приборостроения в России, в том числе, на основе анализа Национальных проектов, Государственных и Комплексных целевых Программ развития энергоёмких отраслей экономики России, планов инновационного развития крупнейших отечественных потребителей и производителей преобразователей электрической энергии, а также тенденций развития силового полупроводникового приборостроения в мире, осуществить:

Разработку и реализацию, в рамках Государственной или комплексной целевой программы по развитию электроники в России, раздела по развитию силового полупроводникового приборостроения;
Создать специальные дизайн-центры по разработке новых поколений силовых полупроводниковых приборов, в том числе на основе широкозонного полупроводникового материала – SiC; современных кристаллов и модулей биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) и быстровосстанавливающихся диодов (FRD);
Создать аккредитованный отраслевой испытательный центр по проверке и испытаниям силовых полупроводниковых приборов;
Модернизировать отраслевую систему стандартов в соответствии с существующими и перспективными международными требованиями к продукции, технологиям, организационным процессам;
Осуществлять целевую подготовку инженерно-технических специалистов и научных сотрудников в области силовой электроники;
Разрабатывать предложения и координировать работы по разработке специального технологического и испытательного оборудования, комплектующих и материалов, необходимых для производства СПП.

Все вопросы и предложения по развитию силового полупроводникового приборостроения предлагаю обсуждать и согласовывать в рамках комитета по силовому полупроводниковому приборостроению Ассоциации «Консорциум дизайн-центров и предприятий радиоэлектронной промышленности совместно с Комитетами Ассоциации «Консорциум дизайн-центров и предприятий радиоэлектронной промышленности»,
рабочими группами по вопросам радиоэлектронной промышленности и по вопросам электротехнической промышленности при Консультативном совете Министерства промышленности и торговли Российской Федерации, департаментами радиоэлектронной промышленности и станкостроения и инвестиционного машиностроения Министерства промышленности и торговли Российской Федерации.

При цитировании ссылка на источник radelprom.pro обязательна.