Современные энергетические системы невозможно представить без мощных электронных преобразователей. При этом постоянно увеличиваются требования к ним по массо-энергетическим показателям. Решить это возможно путем существенной интенсификации охлаждения. Например, с помощью криогенных хладагентов, таких как сжиженный природный газ, жидкий азот, неон, водород и другие.

Московский авиационный институт имеет большой опыт в создании устройств с криогенным охлаждением, в том числе с применением высокотемпературных сверхпроводников. Команда ученых НИО-310 МАИ решила использовать этот опыт для охлаждения силовых полупроводников. Особенно актуально применение таких устройств в транспортных и энергетических системах, работающих с применением различных криогенных хладагентов. Это корабли-газовозы, локомотивы-газотурбовозы, генераторы-турбодетандеры, а также пассажирские самолеты с гибридной силовой установкой.

Данное направление является новым в мировой практике и требует проведения большого объема исследований. Учеными МАИ выполнен ряд экспериментов по исследованию электрических свойств силовых электронных компонентов при криогенных температурах. Это позволило получить уникальные данные о характеристиках компонентов в диапазоне температур от −200С до +25С.

Работы по данному направлению в МАИ выполняют студент магистратуры Алексей Алексеев, аспирант Михаил Остапчук, доктор технических наук, профессор кафедры 310 Даниил Шевцов, научный сотрудник, кандидат технических наук Сергей Занегин. Руководит направлением кандидат технических наук, доцент Дмитрий Шишов. Проект реализуется при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации.

На основе полученных данных спроектирован и изготовлен демонстратор управляемого выпрямительного устройства с криогенным охлаждением силового каскада. Данное устройство предназначено для работы в составе системы, в которой оно свяжет сверхпроводниковый генератор и нагрузку и обеспечит стабилизацию и регулирование напряжения. Разработка обладает такими характеристиками, как возможность эффективной работы при экстремально низких температурах, потенциально меньший вес, меньшие габариты.

- Возможности криогенного охлаждения в силовой электронике совсем мало изучены. Прежде всего, это связано с тем, что нет производителей, выпускающих электронные компоненты с температурным диапазоном работы ниже −60С. Именно поэтому мы провели не просто разработку устройства, но и предварительно испытали электронные компоненты при температуре от −200С до +25С и определили их характеристики. Это позволило правильно выбрать компоненты для использования в устройстве, - говорит руководитель направления Дмитрий Шишов.

Силовые электронные блоки могут иметь существенную массу и размеры в силу большой мощности. Использование имеющихся в системе хладагентов, в том числе для охлаждения электроники, может дать также существенный синергетический эффект. Например, в перекачивающих сжиженный природный газ (СПГ) системах используются электродвигатели, управляемые электронными регуляторами. Их охлаждение перекачиваемым СПГ может снизить их массу без дополнительных затрат на охлаждение. Еще более сильно эффект снижения массогабаритных показателей может проявиться в сверхпроводниковых системах, работающих с применением жидкого азота или водорода.

Направление криоэлектроники развивается различными научными центрами по всему миру. Это и Nasa (США), и University of Glasgow (Великобритания), и ОАО "Авангард" (Россия), и другие. Основная часть результатов исследований не публикуется, но, со слов научных сотрудников кафедры 310 МАИ, по косвенным признакам можно сказать, что все исследования находятся примерно на одном и том же уровне - проверке гипотез, поиска прикладных направлений, подбора компонентов. В этом смысле в МАИ продвинулись дальше, - создали устройство, на основе испытаний которого можно будет делать выводы о дальнейшем развитии направления.

На маевском демонстраторе силового криогенного преобразователя уже проведен ряд экспериментальных исследований. К концу 2022 года планируются его испытания уже в составе системы-демонстратора канала генерирования для перспективного летательного аппарата - среднемагистрального пассажирского самолета, работающего на гибридной силовой установке.

Проведенные работы, а также запланированные теоретические и экспериментальные исследования позволяют ожидать, что уже в скором времени появится новое направление в силовой электронике, развитие которого позволит улучшить существующие системы, а, может быть, и создать абсолютно новые. Пожелаем успеха исследователям из МАИ, взявшим на себя непростую роль первопроходцев....