Mitsubishi Electric готовится к продажам электрооборудования на карбиде кремния

Линия Гиндза — старейшая ветка токийского метро. Именно на ней с февраля 2012 года испытывается одна из наиболее продвинутых технологий, применяемых сегодня на железных дорогах. Речь идёт об использовании в качестве полупроводникового материала карбида кремния, эксплуатирующегося в инверторах электросистемы одного из вагонов с моторами на постоянном токе.

Поскольку ток в общей электросети в Японии (как и почти по всему миру) переменный, его нужно преобразовать, чтобы скормить электродвигателям. Обычно это делают инверторы на базе кремния. Решение, конечно, далёкое от идеала; карбид кремния значительно устойчивее кремния и способен исполнять роль полупроводника вплоть до 600 °C (ширина его запрещённой зоны равна 2,4–3,1 эВ, а у кремния — 1,1–1,2 эВ). Опять же напряжение пробоя у карбида кремния вдесятеро выше, способность к теплоотдаче несравнимо больше, а фазовые переходы вообще не происходят до 1 500 °С, что означает невозможность его перегрева и выхода из строя даже в самых высокомощных устройствах, ибо раньше него сломается и сгорит всё остальное.

Линия Гиндза, Токио (здесь и ниже иллюстрации Mitsubishi Electric, Wikimedia Commons).

Список производителей, занимающихся карбидом кремния, мал, и сейчас в него рвутся новички. Один из них — Mitsubishi Electric, проводящая вышеупомянутый эксперимент на линии Гиндза, где пара инверторов (по одному на мотор мощностью 135 кВт) на карбиде кремния при массе и габаритах, что на 40% меньше обычных, показали высокую эффективность. Испытания ведутся с февраля 2012 года, и к настоящему времени, по заявлением Mitsubishi Electric, потребление энергии новой системой ниже обычного на 38,6%.

Откуда что берётся? Дело в том, что применение карбида кремния в инверторах позволило использовать более производительную систему регенеративного торможения. Обычно при таком торможении ток от мотора получается постоянным, и вагон электропоезда, чтобы отдать его в сеть, преобразует ток в переменный с неизбежными потерями. Новая разработка на базе SiC может похвастаться эффективностью регенеративной системы, равной 51% (сравните с 22,7%, как в стандартном вагоне). Это цифра огромного значения, учитывая частоту торможений и разгонов на городской метролинии.

Устройства на карбиде кремния могут значительно улучшить энергоэффективность не только поездов и кондиционеров, но и целого ряда бытовых устройств невысокой мощности.

После года испытаний Mitsubishi заявила о готовности начать коммерциализацию новых устройств на базе карбида кремния, предполагая также установить в вагонах аккумулирующие мощности, сохраняющие энергию на случай, когда в электросети метро нет активных потребителей. Кроме того, электроника на основе карбида кремния появится в кондиционерах, выпускаемых Mitsubishi, а также в системах питания для эскалаторов, лифтов и промышленных моторов большой мощности.

Ради этого создана новая производственная линия, выпускающая три тысячи 100-миллиметровых подложек из карбида кремния в месяц. Её перевод на 150-миллиметровые подложки запланирован на ближайшее будущее.

Подготовлено по материалам IEEE Spectrum.