Разработка и исследование компонентов интеллектуальных систем электроники и энергетики

Тема НИР 2022г. кафедры технической электроники: «Разработка и исследование компонентов интеллектуальных систем электроники и энергетики»». Цель данной работы: выявление перспективных электронных компонентов для интеллектуальных систем электроники и цифровой энергетики; разработка новых технических решений и функциональных узлов, обоснование их применения в реальном секторе экономики страны; вклад в решение задач импортозамещения и новые подходы к разработке устройств электроники и сетей ЭНЕРНЕТ, предназначенных для оптимизации энергопотребления путем управляемого распределения электрической энергии в системах электроснабжения потребителей с целью повышения энергосбережения и энергоэффективности. В первом разделе отчета «Интеллектуальные системы, сетевые технологии и комплексы в развитии цифровой энергетики» проведены научно-исследовательские работы по развитию технологий ЭНЕРНЕТ. Показано, что соединение технологий ИНТЕРНЕТ и ЭНЕРНЕТ обеспечит решение проблемы роста энергопотребления и повышения энергосбережения. По аналогии с ИНТЕРНЕТ, физическим уровнем, основой электроэнергетической сети ЭНЕРНЕТ является локальная электрическая сеть (ЛЭС), содержащая источник энергии (генератор), накопитель энергии, аппаратуру физического уровня (линии электропередач, кабели, выключатели, трансформаторы и т.п.). Управляющий компьютер выполняет функции прикладного уровня ЭМВОС, анализирует информацию о работе элементов и системы, управляет работой локальной сети, взаимодействует с электроэнергетической системой более высокого уровня по сетевым технологиям. Твердотельный трансформатор и управляемый накопитель энергии взаимодействуют с различными портами переменного и постоянного напряжения, выполняя роль энергетического маршрутизатора. Проведены разработки многофункционального накопительного комплекса (НК) на основе сверхпроводящего электромеханического накопителя энергии. Диапазон применения данного комплекса очень широк. Особо перспективно применение сверхпроводящих накопительных комплексов в условиях низких температур, например, в условиях Арктики и Космоса. Исследованы силовые характеристики сверхпроводящего бесконтактного подвеса ротора-маховика накопительного комплекса и обоснована перспективность его применения. Таким образом, обосновано, что ЭНЕРНЕТ – это глобальная энергетическая сеть с интеллектуальным управлением, в основе которой лежат сетевые технологии ИНТЕРНЕТ. Путем исследований доказано, что основной эффект от внедрения сетевых технологий ЭНЕРНЕТ заключается в распределенной генерации и накоплении электрической энергии. Высокая эффективность сетей ЭНЕРНЕТ достигается за счет двухстороннего, пакетного движения энергии между узлами сети с помощью управляемых накопителей энергии. В качестве преобразователей энергии предложено использовать энергетические роутеры, которые выполнены на основе перспективной твердотельной (полупроводниковой) силовой электроники и имеют порты постоянного и переменного тока. Во втором разделе «Анализ основных классов компонентов интеллектуальных систем электроники и энергетики» сделан анализ перспективных компонентов интеллектуальных систем электроники и энергетики, отвечающих требованиям импортозамещения. Предложены параметрические модели компонентов интеллектуальных систем электроники. Составлены базы данных компонентов интеллектуальных систем электроники и энергетики широкого применения. Материалы исследований включены в книгу «Компонентная база инфокоммуникационных и интеллектуальных систем». Подготовлены материалы для издания монографии «Анализ возможностей импортозамещения электронной компонентной базы». В третьем разделе «Анализ перспективных технических решений для интеллектуальных систем электроники» представлены результаты исследования лазеров с вертикальным резонатором, оптимизированных на работу в одно-модовом режиме с длиной волны 794,8 н м и 894,6 н м. Совокупность представленных экспериментальных результатов (устойчивый одно-модовый режим работы при малых рабочих токах, длины волны 794,8 н м и 894,6 н м и возможность ее точной подстройки за счет изменения температуры и тока инжекции) демонстрирует большие возможности использования разработанных лазеров. Проанализированы базовые матричные кристаллы (БМК), разработан четырёхвходовой КМОП логический вентиль. Сделан анализ возможностей оптоэлектронных устройств, рассмотрены конструкции оптоэлектронных устройств. Разработана параметрическая модель оптоэлектронных устройств, проведена проверка соответствия качества оптоэлектронных устройств. Рассмотрено применение герметичных оптронов в цифровых схемах и радиационно-устойчивых герметичных оптронов. Предложен одновибраторный компенсатор искажений импульсных сигналов, создаваемых погонной емкостью линии интерфейса 1wire. Рассмотрены вопросы разработки, исследования и импортозамещения отдельных компонентов. Четвертый раздел отчета написан с позиций стандартизации и назван «Стандартизация интеллектуальной электроники и цифровой энергетики». Сделан анализ государственных стандартов и описаны области их применения. Собрана информация об подготовке изменений ряда стандартов и даны рекомендации по их применению. В пятом разделе отчета «Методика и алгоритм автоматизированного поиска перспективных компонентов электронной техники» рассмотрены критерии автоматизированного поиска перспективных компонентов электронной техники, алгоритм автоматизированного поиска перспективных компонентов электронной техники. Сделан вывод, что разработку интеллектуальных систем электроники и энергетики целесообразно проводить на основе выбора перспективных компонентов с использованием методики их автоматизированного поиска. Для успешного решения проблем импортозамещения предлагается использовать методику автоматизированного поиска перспективных компонентов на основе анализа баз данных отечественных и зарубежных фирм. Материалы раздела использованы для книги «Справочник по электронной компонентной базе». Результаты отчета опубликованы в следующих изданиях: ВАК – 2 статьи, в международных научных изданиях, индексируемых в базе данных Scopus – 2 статьи, в изданиях, индексируемых в базе данных РИНЦ – 27 статей. 2 патента, подано 2 заявки на изобретения, издано 3 учебных пособия. Результаты работы демонстрировались на ряде выставок, в том числе международных, и отмечены дипломами: «День передовых технологий обеспечения безопасности личности, общества и государства», г. Новосибирск-22, «XXV Московский международный Салон изобретений и инновационных технологий», г. Москва, «СвязьЭкспо-22», г. Москва, XV111 Международный салон изобретений и новых технологий. Новое время -22» г. Севастополь, «Международный военно-технический форум Армия-22», г. Москва. Результаты НИР рекомендованы для внедрения как в реальный сектор экономики, так и в учебный процесс, подготовлены 2 акта внедрения. Материалы отчета могут представлять интерес для специалистов в области электроники и наноэлектроники, силовой электроники и цифровой энергетики, представителей российского экспертного сообщества, студентов, магистрантов, аспирантов и всех тех, кто интересуется новыми технологиями. Также они могут быть использованы органами государственной власти в процессе выработки основных направлений и мер по поддержке и развитию науки и техники, решению задач импортозамещения и технологической независимости страны.