Лого Сделано у нас
101

Ученые НИТУ «МИСиС» создали новый тип силовых диодов

  • Образцы пластин силовых диодов
  • Образцы пластин силовых диодов
  •  © misis.ru

Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» разработал новый тип силовых диодов с оптимизированной кремниевой структурой. Получены экспериментальные образцы с характеристиками превышающими импортные аналоги. Разработана технология промышленного получения новых полупроводников, которая может быть применена при производстве кремниевых биполярных приборов и интегральных схем. Внедрение технологии в полупроводниковое производство позволит существенно повысить качество целого сегмента отечественной электронной компонентной базы, что будет способствовать дальнейшему движению к технологической независимости по программе замещения импорта.

О чем речь

Группа ученых под руководством доцента кафедры «Полупроводниковая электроника и физика полупроводников» НИТУ «МИСиС» к.т.н Петра Лагова разработала новый тип силовых диодов с оптимизированной кремниевой структурой. Применение инновационных диодов в составе ручной или роботизированной сварочной машины резко повышает энергоэффективность процесса и качество сварного соединения за счет двухкратного увеличения рабочей частоты до 20 кГц.

Подробнее о разработке

Роботизированная контактная сварка широко применяется в машиностроении, судостроительной, авиационной промышленности, при производстве бытовых изделий — это основной способ соединения многочисленных деталей путем нагрева и деформации металла проходящим через него электрическим током без использования присадочных материалов. Таким способом можно создавать до нескольких десятков соединений за 1 минуту.

Частота импульсов тока является важнейшей характеристикой процесса контактной сварки и непосредственно определяет его скорость, производительность, а также качество получаемого сварного соединения и его прочность. Исследовательский коллектив НИТУ «МИСиС» разработал технологию получения наноразмерных центров рекомбинации (атомных «вакансий») в структуре диодного монокристалла. Они формируются посредством контролируемого смещения (выбивания) атомов из узлов кристаллической решетки в определенных слоях кремниевой пластины сварочного диода — важнейшего функционального элемента оборудования контактной сварки.

  • Ускорительная установка для ионов высоких энергий
  • Ускорительная установка для ионов высоких энергий
  •  © misis.ru

Атомные «вакансии», проще говоря, микро-дырки в слоях структуры кремния, получаются путем бомбардировки готового монокристалла легкими ионами высоких энергий на ускорителе. В результате на определенных глубинах тонких (1-2 мкм) слоев формируются структурные дефекты атомарного уровня размером около 1 нм. В процессе контактной сварки при многократной периодической смене полярности тока, эти атомные «вакансии» мгновенно захватывают поток текущих электронов, приводя к их аннигиляции (исчезновению) и подавлению нежелательного остаточного тока. Соответственно, резко уменьшается время на смену полярности тока и увеличивается частота переменного тока.

Технология создания атомных «вакансий» позволяет повысить максимальную рабочую частоту диода диаметром 50 мм с 10 до 20 кГц при сохранении прочих характеристик. На сегодняшний день сварочный диод с таким сочетанием параметров превосходит известные мировые аналоги и позволяет удвоить количество сварных операций в единицу времени, а значит, и повысить скорость сборки механизмов.

В результате возрастает максимальная рабочая частота диода, уменьшаются паразитные потери электрической мощности, разогрев и циклические колебания температуры диода, приводящие впоследствии к его износу, механическому повреждению и потере работоспособности. При прочих равных условиях такой диод может обеспечить более высокий рабочий ток сварки и точность его удержания, а также сократить интервал времени между отдельными рабочими циклами, в течение которых происходит остывание («отдых») диода. Становится возможной сварка металлов и сплавов, которые не свариваются при меньшей частоте. Кроме того, такой диод более устойчив к разного рода электрическим перегрузкам, что предотвращает выход из строя узла и остановку всей конвейерной сборочной линии.

  • Одна из областей применения силовых диодов
  • Одна из областей применения силовых диодов
  •  © solaris-club.net

Повышение рабочей частоты также позволяет уменьшить размер и массу трансформаторно-выпрямительного блока сварочного аппарата, который закрепляется на роботизированной «руке», и практически до нуля снижает помехи в энергетической сети, что способствует повышению энергоэффективности автоматизированного производства в целом.

  • Автоматическая сварка
  • Автоматическая сварка
  •  © www.misis.ru

«Мы не только разработали технологию создания рекомбинационных центров в структуре силового сварочного диода, но и получили готовые к применению экспериментальные образцы инновационных диодов, обладающих конкурентными преимуществами — максимальной рабочей частотой не менее 20 кГц (вдвое превышает лучшие зарубежные образцы) при токе 7 кА. Кроме того, в ходе серии проведенных инициативных работ с рядом отечественных предприятий нами установлено, что технология локального формирования центров рекомбинации может быть успешно применена при производстве кремниевых биполярных приборов и интегральных схем различных классов. Масштабное внедрение данной технологии в полупроводниковое производство позволит существенно повысить качество целого сегмента отечественной электронной компонентной базы, что способствует обеспечению технологической независимости в условиях импортозамещения» — рассказал руководитель проекта Петр Лагов.

  •  © www.misis.ru

Новизна разработки

Создание силового сварочного диода — ключевого элемента резистивной (контактной) сварки с заявленными параметрами актуально в связи с тем, что позволит:

  1. Повысить скорость (локального) нагрева и сократить длительность сварки за счет сокращения времени отклика сварки (менее 0,1 мс).
  2. Улучшить производительность и качество соединения в результате повышения точности удержания постоянного тока сварки (не хуже 0,5%).
  3. Уменьшить уровень помех в центральной сети (исключена необходимость контроля параметров центральной сети).
  4. Сэкономить электроэнергию вследствие увеличения коэффициента использования мощности (более 0,99), сокращения реактивной мощности (почти до нуля) и исключения необходимости ее компенсации (за счет дополнительных устройств).
  5. Улучшить качество и внешний вид сварного соединения за счет усиления фокусировки тепловой энергии при сварке.
  6. Повысить безопасность процесса в связи с отсутствием вспышек и искр при сварке.
  7. Расширить спектр свариваемых материалов, в т. ч. алюминиевые сплавы, медь, высокопрочная сталь и др.
  8. Сократить расходы и материальные затраты на сварочную машину и сварку в целом (в т.ч. трансформаторы, кабели, техобслуживание, ремонт; увеличить срок службы электродов и др.).
  9. Реализовать адаптивное управление, расширить спектр режимов работы и их контроля (режимы работы: постоянный ток, постоянное напряжение и контроль энергии с цифровым управлением).
  • Диодные пластины и диоды в корпусе
  • Диодные пластины и диоды в корпусе
  •  © www.misis.ru

Проект разработки технологии выполнен в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 — 2020 годы».

Использованы фото и дополнительные материалы сайтов: https://solaris-club.net/, https://4science.ru/, http://fcpir.ru/ и http://www.misis.ru/

  • 4
    Е.Юрий Е.Юрий
    10.09.1704:09:36

        То что нужно для развития производства!

  • 5
    shigorin shigorin
    10.09.1710:21:06

    Порадовали ;-)

  • 0
    Нет аватара mikr
    10.09.1715:30:38

    Вероятно речь идет не о повышении максимальной частоты сварочного тока, поскольку сварка как правило ведется токами промышленной частоты 50 Гц. Скорее всего удалось увеличить скорость нарастания прямого тока в момент открытия диода, что действительно повышает КПД выпрямителя. Но, в современной силовой электронике основной интерес направлен на производство мощных транзисторов, используемых в системах электропривода. Хотелось бы порадоваться успехам российских производителей именно в этой области.

    • 6
      Нет аватара Лес
      10.09.1717:29:58

      Токами с частотой 50Гц Вы не варите, а паяете. Сварочный аппарат берет из сети стандартные 50Гц и преобразует в трансформаторно-выпрямительном блоке в большую частоту, необходимую для сварки. С полученными силовыми диодами можно сразу сделать аппарат на 20кГц и при этом масса будет меньше в сравнении с существующими, а КПД выше и нагрев аппаратуры меньше.

      Разработанная технология может быть применена при производстве кремниевых биполярных приборов и интегральных схем различных классов, в том числе силовых.

      Отредактировано: Лес~21:19 10.09.17
      • 0
        Нет аватара mikr
        10.09.1719:26:58

        Не совсем так. Для сварки используют инверторный преобразователь, действительно работающий по принципу высокочастотной импульсной трансформации. 50Гц сначала выпрямляется, затем широтно-импульсный транзистор в комбинации с импульсным транформатором понижают напряжение до нужной величины и дальше импульсное вторичное напряжение подается на тот самый диод, который должен уметь быстро открываться и быстро закрываться. Частота следования импульсов 20 кГц для такого диода никогда не являлась проблемой, а вот скорости открытия и закрытия действительно важны для уменьшения потерь на нагреве выпрямителя.

        • 3
          Нет аватара Лес
          10.09.1722:15:32

          Речь идет о силовом диоде для сварки. Читайте про схемотехнику для сварочных устройств. 20кГц сварочного диода это параметр частоты для входного тока. С учетом того, где используется такой диод можно понять, что частота переключения для диода не рассматривается.

          Разработанный силовой диод с указанными параметрами отличное достижение разработчика.

          Отредактировано: Лес~22:28 10.09.17
  • 1
    Виктор Гюго Виктор Гюго
    10.09.1721:30:18

    на заглавной фотке — похоже неразрезанные пластины

    • 1
      Нет аватара Лес
      10.09.1723:10:23

      Силовые диоды на мощные токи таблеточной формы, например, ВЛ8-320 и т. д., диодные элементы в них также круглой формы. И на первом фото два диодных элемента без оправы и третий с оправой. В готовых диодах такие элементы будут располагаться в таблеточном корпусе, неразрезанные.

      Отредактировано: Лес~02:01 11.09.17
  • 2
    SergeySeverny SergeySeverny
    11.09.1705:29:11

    очень хорошая новость! плюс+, и в карму плюс+

  • -3
    Нет аватара Gagarin Ura
    11.09.1719:31:53

    К сожалению, ученые НИТУ «МИСиС» со своей разработкой опоздали лет на 15-20. Прогресс уже давно ушел вперед. Маловероятно, что эта технологи будет кем-то когда востребована. Жаль, потрачено время и средства из федеральной целевой программы по поддержке российской прикладной науки, которые могли быть использованы эффективно в других проектах. Остается надеяться, опыт полученный учеными НИТУ «МИСиС» быть может, когда-нибудь, будет востребован в общественно полезных и значимых проектах.

    Учеными НИТУ «МИСиС» разработана технология изготовления полупроводниковых силовых высокочастотных диодов на подложке из кремния (Si), область применения которых позиционируется как силовая электроника, промышленное оборудование для неразъемного соединения элементов кузова транспортных средств методом КОНТАКТНОЙ клещевой ЭЛЕКТРОсварки.

    Нет смысла перечислять все многочисленные НЕДОСТАТКИ существующих промышленных методов ЭЛЕКТРОсварки, в частности КОНТАКТНОЙ, и причин по которым от них пришлось отказаться — технологии из прошлого века.

    Вместо контактной ЭЛЕКТРОсварки относительно давно используется ЛАЗЕРНАЯ сварка, которая в отличие от безнадежно устаревшей ЭЛЕКТРОсварки, например НЕ требует постоянной замены электродов по причине отсутствия таковых.

    Пример тому полный отказ немецкого автогиганта Фольксваген от использования ЭЛЕКТРОсварки для соединения стальных или из сплава алюминия элементов кузова легковых автомобилей, вместо которой он относительно давно перешел на использование ЛАЗЕРНОЙ сварки.

    К слову, серийно выпускаемое промышленное оборудование ЛАЗЕРНОЙ сварки, которое использует Фольксваген и другие передовые автосборочные гиганты по всему миру, разработано и изготавливается российской компанией НТО ИРЭ-ПОЛЮС в г. Фрязино Московской обл. входящим в российскую всемирно известную международную группу IPG. Ее создатель и основной собственник всемирно известный советский и российский ученый, доктор физики Вячеслав Гапонцев. Презентации использования серийно выпускаемых мощных (до 100 кВт) волоконных иттербиевых ЛАЗЕРОВ в машиностроение для РЕЗКИ, СВАРКИ и ЗАКАЛКИ стали, алюминиевых и цветных сплавов можно посмотреть на Ютубе.

    К сожалению, отпадает возможность использования разработанной НИТУ «МИСиС» технологи изготовления быстродействующих диодов на кремниевой (Si) подложке в силовой электронике управления электрическими машинами, например тяговыми электродвигателями, или в преобразователях и инверторах по причине того, что уже относительно давно российские и зарубежные производители изготавливают быстродействующие силовые полупроводниковые приборы — диоды и тиристоры, сборки из них и устройства на их основе на подложке из КАРБИДА кремния (SiCa), характеристики которых значительно выше, чем у изготовленных на подложке из кремния (Si).

    Примеры тому силовые быстродействующие полупроводниковые приборы — диоды, тиристоры и сборки на подложке из КАРБИДА кремния (SiCa) и устройства, разработанные и серийно выпускаемые российскими предприятиями Ангстрем (г. Зеленоград Московская обл.) и Электровыпрямитель (г. Саранск Республика Удмуртия), немецкой компанией АББ (ABB).

    Отредактировано: Gagarin Ura~21:34 11.09.17
    • 3
      Нет аватара Лес
      11.09.1722:02:01

      Ученые НИТУ «МИСиС» никуда не «опоздали». Речь идет о очередном этапе в совершенствовании технологий сварки и технологий силовой электроники. Каждый вид сварки нуждается в необходимом совершенствовании связанным с новыми задачами. В результате разработки ученых появилась возможность значительно улучшить параметры роботизированной контактной сварки, приблизившись к рекордным.

      Появилась возможность улучшить уровень автоматизации производства, теперь возможно переходить к проектам цехов со сварочными роботизированными линиями с высоким уровнем безопасности без вспышек и искр при сварке, что близко к идеальному варианту.

      Другим преимуществом нового сварочного диода является возможность его использования для сварки трудно свариваемых металлов и сплавов, с минимальными затратами и высоким качеством.

      Разработанная технология получения силовых диодов может быть распространена в отрасли и применена для повышения качества при производстве кремниевых биполярных приборов и интегральных схем различных классов, в том числе силовых.

      То, что Вы пишете как о недостатках проверяется просто — обращением к разработчикам и сравнением достигнутых ими показателей с Вашими по экономичности, качеству и прочим параметрам.

      Отредактировано: Лес~03:11 12.09.17
      • -2
        Нет аватара Gagarin Ura
        13.09.1701:29:40

        Лес пишет: «Ученые НИТУ «МИСиС» никуда не «опоздали». Речь идет о очередном этапе в совершенствовании технологий сварки и технологий силовой электроники…"

        Зачем ученым НИТУ «МИСиС» понадобилось совершенствовать, да еще за федеральные средства фонда поддержки российской прикладной науки технологию ЭЛЕКТРОСВАРКИ и создавать для этого что-то, если эта технологи уже НЕ ИСПОЛЬЗУЕТСЯ в ПРОМЫШЛЕННОСТИ? От этой технологии по причине имеющихся у нее недостатков давно отказались. В место нее передовые предприятия используют ЛАЗЕРНУЮ сварку.

        А на смену силовым полупроводниковым диодам на кремниевой подложке (Si), что только сейчас создали ученые НИТУ «МИСиС», давно пришло следующее — НОВОЕ ПОКОЛЕНИЕ силовых диодов и тиристоров на подложке из КАРБИДА кремния (SiCa).

        Отредактировано: Gagarin Ura~01:49 13.09.17
        • 1
          Нет аватара Виталий Панов
          14.09.1706:49:09

          От этой технологии по причине имеющихся у нее недостатков давно отказались. В место нее передовые предприятия используют ЛАЗЕРНУЮ сварку.

          У лазерной установки тоже есть недостатки. Например цена, неподъемная для многих предприятий и очень низкий КПД (менее 10%).

          Лазерная сварка пременяется где требуется высокая точность (не подходит электродуговая) или огромный объем выпускаемой продукции (чтобы окупить).

          А с этим диодом электросварка еще уменьшит свои минусы.

Написать комментарий
Отмена
Для комментирования вам необходимо зарегистрироваться и войти на сайт,