СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №3/2013

прессорныхиперекачивающихстанци ях Газпрома или Роснефти. «Сапсан» – это практически весь спектр силовой электроники – от освещения до су пермощного электропривода. «Боинг 787» – сотни бортовых двигателей на 400…1000 Гц, а управляющий ими «ра зумный» электропривод на MOSFET и IGBT (хорошо, чтопокана «узкозонном» Si). РЖД, автомобили, LEDит.д. –практи чески всюду силовая электроника. Силовая электроника – это мировой рынок, равный 2,2–2,4 объёмам Рос оборонэкспорта сегодня, завтра – око ло $50 млрд, а если включить сюда пре образователи, то последнюю цифру надо утроить. Силовые приборы – это диоды, тран зисторы, тиристоры–казалосьбы, ивсё. На самом деле, устанешь перечислять. Если взять только диоды, то это диоды Зенера, стабилитроны, ограничители, НЧ выпрямители, FRED, UFRED, Hyper FRED, SBD, p i n диоды, диоды Ганна, IMPATT диоды, туннельные диоды, LED, лазерные диоды, фотодиоды и изобре тённые авторами статьи Hyper 2 FRED и COOL диоды. Можно ли ВСЁ это делать наGaAs?Практическивсё.Объёмпродаж силовых диодов доходит до $4,0 млрд, и его в значительной мере можно «при брать к рукам», вложив финансовые средства и интеллектуальный потенци алвp i nGaAs электронику.Оеёвозмож ностях, конкурентоспособности,фунда ментальной основе, сенсационности, можнопрочитать в статье [2], где наряду с 1200…1700 вольтовыми p i n GaAs UFRED[3], пришедшиминасменуSi иSiC UFRED, продемонстрированы600 воль товые HyperFRED диоды, которые ожи даемо являются более скоростными и болеенадёжными, чемSiCSBD(SiC диод Шоттки – это электромагнитный твер дотельный ускоритель электронов, у которогомишень– границаразделаме талл полупроводник, которая и без то го является крайне опасной зоной со прикосновения двух кристаллических сред, несовместимыхнипошагу решёт ки, нипо коэффициенту теплового рас ширения, ни по механическим сопря жениям). Биполярныекремниевыеиар сенид галлиевые диоды рассеивают энергию носителей в объёме десятков микрометров, т.е. в объёме на порядок, на два и более, чемв диодеШоттки. При этомскорость переключенияGaAs дио да имеет теоретический потолок в 8 раз больший, чем у Si диода. Hyper 2 FRED, с его наносекундными характеристиками, по скорости с SiC SBD лучше не сравнивать. Для преобра зовательнойтехникиэто–феноменаль ные приборы, а если применить ещё и сверхскоростные GaAs JFET с ёмкостью затвора в 50 раз меньше, чему SiC, и с не уступающей ему проводимостью, то… дальше можно не продолжать. Изобретённые нами впервые в мире ультрабыстрые диоды нового класса – COOL диоды – имеют плотность про водящейплазмы (тока) в 3 раза больше, чем в Si и SiC диодах, но это не предел. Ожидается, что можно достигнуть ещё бo W льших значений – в 5 и более раз. Например: чип 1,0 см 2 пропускает прямой постоянный ток в 1000 А при U RRM = 1000 В (1 кА – 1 кВ), при этом восстанавливается за 100 нс, да ещё при температуре T j = 250 ° C, к тому же U F составляет доли вольта. Гальваники одними из первых, веро ятно, оценят возможности COOL дио дов в своём производстве, ведь заме нить промышленный выпрямитель ный агрегат размером с тумбочку на аналогичный по функциям ВАКР с га баритами не более учебника – это, со гласитесь, неплохо. Один такой COOL диодный чип сможет обеспечить ра боту (коммутацию) 5–7 параллельно включённыхSi IGBTна1200В(150 × 7)А, тоже удобно, наряду с возможностью реализации в одном корпусе типа SHD 6 (SMD) пары Si IGBT/GaAs COOL UFRED на 1200 В 100…150 А 0,1 мкс. Для частотно регулируемого элек тропривода, инверторов для преобра зования энергии фотона в напряже ние промышленной или бытовой се ти это тоже хорошо, но возможности могут оказаться гораздо шире. P i n GaAs технология открывает но вые возможности для GTO, SIT, фототи ристоров. Судите сами: 600…1200 В, U пр. < 1,2…1,0 В; 100…300 кГц. А что ка сается тиристоров с прямым лазер нымуправлением (гальваноразвязка) и МОП запиранием – это уже 500 кГц и выше, приостатках ≈ 1,0…1,2Витокахот 300 А/чип. Появление их на мировом рынке, вероятно, может вызвать панику среди крупнейших производителей IGBT иMOSFET, при объёме рынка этих приборов, оцениваемомв $10млрд! Эти инновационные приборы могли бы пользоваться успехомна данномрынке. Расписывать, к чему приведёт MOS GaAs технология (MOSFET и IGBT), ве роятно, нет смысла. Это просто науч но технический переворот в преобра зовании (IGBT будут работать на часто те 1,0 МГц, а MOSFET – от 10 МГц и выше). Сюда же следует отнести и p i n GaAs тиристоры с фотоинжекцией, разработанные вФизико техническом институте (г. Санкт Петербург), и бу дущие новые лазерные коммутаторы, и выполненный на двух чипах диодный лазер. P i n GaAs коммутатор на 3–4; 6,5 кВ со скоростью коммутации луч ше, чем у 1200 вольтового кремниево го MOSFET, да ещё с исключением не посредственной связи управления – наверное, это кому нибудь пригодится. Возможна также реализация ВЧ ин вертора на комплементарных HBT (±600…1200В, десяткиампер, τ сп <20нс). Чем хорош данный инвертор? Для раз работчиков Solar Inverters, вероятно, это – находка. Во первых, удобно пре образовать в промышленнуюсинусои ду 50 Гц, в т.ч. от «ветряка». При коэффи циенте усиления тройного кремние вого Дарлингтона HBT ключ имеет «остатки» 0,5…0,8 В, в 100 и более раз большую скорость переключения, очень хорошую устойчивость к ЭМИ, отсутствие эффектаМиллера, к томуже вместо непосредственного входа мож но образовать гальванически развязан ный лазерный вход. Не нужно также «городить огород» с понятием «драй вер верхнего и нижнего уровня»: всё – от входного контроллера до управля ющих драйверов привязано к V CC = 5 В. И, в заключение, могут быть созданы GaAs MOSFET на 1200 В, близкие по С GS к значениямGaAs JFET, т.е. GaAsMOSFET при С GS ~ 20…50 пФ будет «качать» ток, аналогичный4H SiC «Trench» –MOSFET с входной ёмкостью в 1,0 нФ. В таком случае частота коммутации нового GaAs MOSFET может быть в таком соот ношении с частотой коммутации SiC MOSFET (при R DSon GaAs ≈ R DSon SiC ), как: , т.е., если считать за разумный потолок f преобраз. у SiC MOSFET ≈ 1,0…2,0 МГц, то у GaAs MOSFET второго поколения по толок будет 20…40 МГц. Реализация проекта может позво лить изменить частоту преобразования на порядок, а это означает абсолютную конкурентоспособность на мировом рынке объёмом $100…200 млрд. Хочется подчеркнуть, что в преобра зовательной технике нашиинтеллекту альные запасыне хуже, чемв Германии, США, Франции, Италии – стран лиде ров в преобразовательной технике. Это интеллектуальный запас еще с совет ских времён, с огромным научно тех РЫНОК 14 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 3 2013