Močnostna elektronika in upravljanje napajanja

Močna elektronika je nastala v sedemdesetih letih. Pred tem so ga ljudje imenovali spremenljiva trenutna tehnologija ali tehnologija pretvorbe moči. Razvit je iz tehnologije rektifikacije v štiridesetih in petdesetih letih prejšnjega stoletja. Zgodaj v tej panogi obstajajo Xi' raziskovalni inštitut za usmernike, večje tovarne usmernikov po vsej državi, International Rectifier Company v ZDA itd. Predhodnik Xi' Inštitut za usmernike, Raziskovalni laboratorij za polprevodnike Raziskovalnega inštituta za električno opremo Ministrstva za stroje, je prva enota, ki se ukvarja z močnimi polprevodniki na Kitajskem. Mednarodno usmerniško podjetje, ustanovljeno leta 1947, velja tudi za najzgodnejše polprevodniško podjetje v ZDA. Ko se tiristor razvije v veliko družino, ko se postopoma razvijejo nekatere naprave s kratkim časom izklopa ali enostavnim izklopom, se pretvornik postopoma dvigne na prevladujočo aplikacijo. V tem času je akademska skupnost predlagala novo disciplino, ki bi uvrstila ta razvoj. Torej obstaja močnostna elektronika glede na informacijsko elektroniko. Prvi se ukvarja z informacijami, drugi pa z močjo. V to temo so vključili tudi več teorije samodejnega krmiljenja in nove elektronske tehnologije. Takrat se je smer uporabe osredotočala na industrijske aplikacije, vlečenje vozil in pogonske sisteme, zato so ljudje najbolj zaskrbljeni zaradi razvoja močne smeri. Na primer, čeprav so se dvosmerni tiristorji pogosto uporabljali v gospodinjskih aparatih, je Kitajska v sedemdesetih letih še vedno zaklenila razvoj dvosmernih tiristorjev v smeri industrijske uporabe. Po tem se ni razvil v dvosmerni tiristor za gospodinjske aparate. Kar zadeva polprevodnike visoke moči, razlika med Kitajsko in tujino ni bila zelo velika. Zaradi velikih infrastrukturnih potreb Kitajske&# 39 v primerjavi s tujino imajo polprevodniške naprave na tej stopnji večjo uporabo. V zadnjih letih je bilo uvedenih nekaj večjih projektov, kar je še skrajšalo zaostanek za tujino. To je vidik razvoja močnostne elektronike. Morda je to tudi pomemben vidik, ki mu ga moje državno združenje za elektronsko elektroniko vedno pripisuje. Po vzponu naprav tipa MOS v zgodnjih osemdesetih letih je po več kot desetih letih razvoja močna elektronika zajela več drugih področij, kot je industrija 4C (komunikacije, računalništvo, potrošniške električne naprave, avtomobili). Trenutno napredek njene tehnologije manj poudarja velikost moči, ampak se osredotoča na zagotavljanje tem industrijam učinkovitejših, majhnih in lahkih virov energije. Če rečemo, da močnostna elektronika poudarja izvedbeni sistem, elektronika nizke moči poudarja napajanje. Če mikroelektroniko primerjamo z možgani, velika močnostna elektronika poudarja vlogo rok in nog, majhna močnostna elektronika pa vlogo srca. Družba za oskrbo z električno energijo v naši državi bo seveda bolj pozorna na vlogo slednjih. A oba pripadata močni elektroniki. Verjamem, da bosta obe družbi skrbeli za razvoj močne elektronike v dveh pogledih. Če povzamemo, gre za dvajsetletni razvoj različnih tiristorjev, ki je postavil trdne temelje za razvoj močne elektronike v industriji, vožnji in elektroenergetskih sistemih. Tako nastane močnostna elektronika. Po tem so različne naprave tipa MOS doživele dve desetletji razvoja, kar je tudi postavilo trdne temelje za razvoj industrije 4C. Tehnologija močnostne elektronike naj bo velik korak naprej. Trenutno zaradi nadaljnjega povezovanja mikroelektronike in močne elektronike močne polprevodniške naprave naredijo tretji korak, ki se lahko kaže v naslednjih treh vidikih: 1) Proizvodnja čipov novih močnostnih polprevodniških naprav vedno bolj uporablja čipe z integriranimi vezji. Z drugimi besedami, tehnologija polprevodniških naprav sprejema submikron tehnologijo in se razvija v smeri globoke submikrone. Koncept, da so močnostne polprevodniške naprave le tehnologija na nizki ravni, bi bilo treba zdaj spremeniti. Seveda pri izdelavi močnostnih polprevodniških naprav ni bila uporabljena najnaprednejša procesna tehnologija IC leta, vendar so te razlike omogočile uporabo cenejše opreme in s tem znižanje proizvodnih stroškov, kar je zelo pomembno za razvoj močnostnih polprevodniških naprav. 2) Ne samo tehnologija čipov, temveč tudi tehnologija pakiranja moči polprevodniških naprav se približuje integriranim vezjem. V zadnjih nekaj letih so bile vroče točke embalaže z integriranim vezjem uporaba tehnologij BGA (Ball Grid Array) in MCM (Multi-Chip Module), ki so postopoma postale metode pakiranja, ki so jih sprejele nove močnostne polprevodniške naprave. Na primer, IR' s FlipFET in iPOWIR uporabljata tehnologijo BGA, iPOWIR pa je tudi najbolj tipična tehnologija MCM. Seveda imajo močne polprevodniške naprave večje zahteve po odvajanju toplote kot integrirana vezja. Dvostransko odvajanje toplote, ki je bilo v preteklosti običajno v embalaži tiristorjev, se zdaj prvič uporablja v napravah MOS, en primer pa je DirectFET. V zvezi z DirectFET ga bomo v tem članku na kratko predstavili. 3) Nov trend je, da so močnostne polprevodniške naprave in integrirana vezja pogosto kombinirani v istem čipu ali istem paketu. Z drugimi besedami, bolj funkcionalni krmilni del in napajalni del ali zaščitni tokokrog sta združena v eni napravi. V preteklosti se napajalna integrirana vezja, na katera se ljudje sklicujejo, nanašajo predvsem na visokonapetostna pogonska vezja, torej na integrirana vezja, ki se uporabljajo za pogon višje napetostnih MOSFET-ov ali IGBT-jev. Vendar je trenutno izdelan razred integriranih vezij in z njimi povezanih napajalnikov, imenovan upravljanje napajanja. Napetost morda ni visoka, vendar je nadzorna funkcija močno izboljšana. Najbolj značilne so nekatere naprave v DC-DC aplikacijah. Zato se je koncept, da se napajalne naprave nanašajo samo na diskretne naprave, temeljito spremenil. Na primer, napredne naprave, povezane z IC ali s posebnimi funkcijami, ki jih proizvaja IR, so presegle običajne diskretne naprave in se še naprej razvijajo v smeri proizvodnje&sistemov." Obstaja rek, da bo proizvodnja naprednih naprav, kot so sistemi in IC, v prihodnosti postala nosilna opora. V takem razvojnem procesu je izraz upravljanja moči vedno bolj pogost. Oblikovanje upravljanja z energijo v tujini je postalo precej priljubljeno, zlasti v industriji močne elektronike, povezane s 4C industrijo. Pogostost njegovega videza je celo večja kot pri originalni močnostni elektroniki. Nekateri tuji proizvajalci se pogosto imenujejo strokovnjaki za upravljanje porabe energije. Pravzaprav v tem pogledu ni nobenega protislovja, ker je upravljanje z energijo le nova formulacija na nekaterih področjih v sedanji fazi razvoja močnostne elektronike. V primerjavi z energetsko elektroniko upravljanje napajanja poudarja&upravljanje;" Poudarja funkcijo nadzora tega vidika. Beseda moč lahko pomeni moč, elektriko ali moč. Upravljanje lahko razumemo tudi kot upravljanje ali obdelavo. Zato lahko obstajajo številne vrste kitajskih prevodov. Vendar pa so se na Kitajskem že večkrat pojavili štirje kitajski znaki za upravljanje porabe, kar lahko standardnemu jeziku doda nekaj težav. Vendar imajo številni tuji izrazi svoj razvojni postopek in pogosto se pojavijo številni novi izrazi. Morali bi globlje razumeti pojav teh novih izrazov s tehnične perspektive. Pretvorba moči (pretvorba moči) je bila včasih skoraj sinonim za močnostno elektroniko. Tuja revija je nekoč naslov Power Electronics spremenila v Power Conversion and Intelligent Motion (PCIM). Toda pretvorba moči lahko' vse ne vključuje upravljanja moči v močnostni elektroniki. Kot so prilagoditev faktorja moči * in regulator nizkega izpada (LDO) itd. LDO se pogosto uporablja v računalniškem napajanju kot prilagajanje in stabilizacija napetosti majhnega obsega. Je IC in vključuje tudi napajalne naprave. Na primer, v napajalniku z izmeničnim in enosmernim tokom je lahko napajalna naprava s PWM in ničelno vklopljeno napetostjo, kar je tudi IC. Imenuje se integrirano stikalo v IR. To so tipični primeri kombinacije IC in napajalnikov. Letos spomladi sem na prvem sestanku in razstavi PCIM&# 39 na Kitajskem nekoč v imenu kolega IR predstavil poročilo o DirectFET. To je nova vroča točka za IR. Tukaj bi rad na kratko predstavil to napravo. Kot vsi že veste, že obstaja veliko napajalnih naprav, ki uporabljajo površinski nosilec. Toda ti obrazci za pakiranje praviloma sledijo originalni embalaži integriranih vezij. Zato z vidika odvajanja toplote ni nujno najprimernejši za napajalne naprave. DirectFET je prvič, da je dvostransko odvajanje toplote močnostnih naprav uvedeno v naprave za površinsko vgradnjo. Velikost DirectFET-a je enakovredna ohišju SO-8, vendar je odpornost samega ohišja le 0,1 milioma, medtem ko je SO-8 1,5 milioma. Zato se trenutna gostota naprave podvoji, površina vezja pa se zmanjša za 50% v primerjavi s prvotnim ohišjem SO-8. Sinhroni pretvornik, sestavljen iz para DirectFET-jev (krmilni FET in sinhroni FET), lahko zagotavlja 30 amperov toka pri 1,3 volta. Nastali sistem napajanja ustreza zahtevam glede upravljanja porabe energije najnovejšega Intelovega 64-bitnega procesorja Itanium2. Glejte sliko 1 za videz DirectFET. Na sliki sta prikazani dve strani naprave, ena stran lahko vidi vrata in dva izhodna dela, ki sta neposredno pritrjena na vezje. Druga stran je bakrena prevleka, ki je odtok in druga stran, ki lahko odvaja toploto. Na sliki 2 je prikazan prerez DirectFET-ja, tako da lahko jasneje razumete njegovo strukturo. Za tiste, ki so vajeni visoko zmogljivih naprav, se bo zdelo zelo novo: DirectFET je velik le 5x6,35x0,7 mm. Ta naprava se bo uporabljala v prenosnih računalnikih višjega razreda, modulih napetostne modulacije strežnikov, delovnih postaj in gostiteljev ter naprednih komunikacijskih in podatkovnih sistemih. Na koncu tega članka bi rad na kratko predstavil kombinacijo IC in napajalnih naprav v napajalnih modulih. Lahko rečemo, da gre za kombinacijo mikroelektronike in močnostne elektronike za večjo moč. Vsi poznajo IPM, IGBT modul z inteligenco, ki se pogosto uporablja v klimatskih napravah. Pravzaprav gre za IGBT modul z gonilnikom IC. Trenutno posodobljeni moduli se pojavljajo drug za drugim in tvorijo veliko družino glede na različne potrebe. Na primer, PI-IPM se nanaša na programabilni in izolirani IPM. V tem modulu je uporabljen DSP, programsko opremo pa je mogoče pisati. V prihodnosti bom tej veliki družini predstavil poseben uvod.