Elektronika mocy i zarządzanie energią

Energoelektronika powstała w latach 70-tych. Wcześniej ludzie nazywali to technologią prądu zmiennego lub technologią konwersji mocy. Został opracowany z technologii rektyfikacji w latach 40. i 50. XX wieku. Na początku tej branży istnieje Xi' Instytut Badań Rektyfikatorów, główne fabryki prostowników w całym kraju, International Rectifier Company w Stanach Zjednoczonych i tak dalej. Poprzednik Xi' Instytut Badawczy Prostowników, Laboratorium Badawcze Półprzewodników Instytutu Badań Urządzeń Elektrycznych Ministerstwa Maszyn jest najwcześniejszą jednostką zajmującą się półprzewodnikami mocy w Chinach. International Rectifier Company, założona w 1947 roku, jest również uważana za najwcześniejszą firmę półprzewodnikową w Stanach Zjednoczonych. Gdy tyrystor rozwija się w dużą rodzinę, gdy stopniowo rozwijają się niektóre urządzenia o krótkim czasie wyłączania lub łatwe do wyłączania, aplikacja falownika stopniowo urasta do aplikacji dominującej. W tym czasie społeczność akademicka zaproponowała stworzenie nowej dyscypliny do klasyfikacji tego rozwoju. Tak więc istnieje energoelektronika w stosunku do elektroniki informacyjnej. Pierwsza zajmuje się informacją, a druga władzą. Do tego tematu wprowadzono również więcej teorii automatycznego sterowania i nową technologię elektroniczną. W tamtym czasie kierunek aplikacji koncentrował się na zastosowaniach przemysłowych, systemach hamowania pojazdów i zasilania, więc ludzie są najbardziej zaniepokojeni rozwojem kierunku dużej mocy. Na przykład, chociaż dwukierunkowe tyrystory były szeroko stosowane w sprzęcie AGD, Chiny nadal blokowały rozwój dwukierunkowych tyrystorów w kierunku zastosowań przemysłowych w latach 70. XX wieku. Potem nie rozwinął się w dwukierunkowy tyrystor do sprzętu AGD. Jeśli chodzi o półprzewodniki dużej mocy, przepaść między Chinami a zagranicą nie była bardzo duża. Ze względu na ogromne potrzeby Chin' w zakresie infrastruktury, w porównaniu z innymi krajami, urządzenia półprzewodnikowe dużej mocy mają na tym etapie więcej zastosowań. W ostatnich latach wprowadzono kilka dużych projektów, co jeszcze bardziej skróciło dystans z zagranicą. To aspekt rozwoju energoelektroniki. Może to być również ważny aspekt, do którego zawsze przywiązywało wagę Towarzystwo Energoelektroniki mojego kraju. Po pojawieniu się urządzeń typu MOS we wczesnych latach 80-tych, po ponad dziesięciu latach rozwoju, energoelektronika objęła więcej innych dziedzin, takich jak przemysł 4C (komunikacja, komputery, konsumenckie urządzenia elektryczne, samochody). W tej chwili zaawansowanie technologii w mniejszym stopniu kładzie nacisk na wielkość mocy, ale koncentruje się na dostarczaniu tym branżom bardziej wydajnych, małych i lekkich źródeł zasilania. Jeśli powiemy, że energoelektronika dużej mocy kładzie nacisk na system wykonawczy, to energoelektronika małej mocy kładzie nacisk na zasilanie. Jeśli mikroelektronikę porównać do mózgu, duża energoelektronika podkreśla rolę rąk i stóp, a mała energoelektronika rolę serca. Towarzystwo Energetyczne naszego kraju naturalnie zwróci większą uwagę na rolę tego ostatniego. Ale oba należą do energoelektroniki. Wierzę, że oba społeczeństwa będą dbać o rozwój energoelektroniki w dwóch aspektach. Podsumowując, jest to dwudziestoletni rozwój różnych tyrystorów, który położył solidne podwaliny pod rozwój energoelektroniki w przemyśle, napędach i układach zasilania. W ten sposób powstaje energoelektronika. Następnie różne urządzenia typu MOS przeszły dwie dekady rozwoju, co położyło również solidne podstawy pod rozwój przemysłu 4C. Niech technologia energoelektroniki stanie się dużym krokiem naprzód. Obecnie, w związku z dalszą integracją mikroelektroniki i energoelektroniki, półprzewodnikowe urządzenia mocy robią trzeci krok, który może się przejawiać w trzech następujących aspektach: 1) W produkcji chipów nowych urządzeń półprzewodnikowych mocy coraz częściej wykorzystuje się chipy układów scalonych. Technologia, innymi słowy, urządzenia półprzewodnikowe mocy przyjmują technologię submikronową i rozwijają się w kierunku głębokiego submikronowego. Koncepcja, że ​​półprzewodniki mocy są tylko technologią niskiego poziomu, powinna zostać zmieniona. Oczywiście do produkcji przyrządów półprzewodnikowych mocy nie wykorzystano najbardziej zaawansowanej technologii przetwarzania układów scalonych w tym roku, ale te różnice umożliwiły zastosowanie tańszego sprzętu, a tym samym obniżenie kosztów produkcji, co jest bardzo ważne dla rozwoju przyrządów półprzewodnikowych mocy. 2) Nie tylko technologia chipów, ale także technologia pakowania półprzewodników mocy zbliża się do układów scalonych. W ciągu ostatnich kilku lat gorącymi punktami pakowania układów scalonych były technologie BGA (Ball Grid Array) i MCM (Multi-Chip Module), które stopniowo stały się metodami pakowania przyjmowanymi przez nowe półprzewodnikowe urządzenia mocy. Na przykład IR' FlipFET i iPOWIR wykorzystują technologię BGA, a iPOWIR jest również najbardziej typową technologią MCM. Oczywiście półprzewodnikowe urządzenia mocy mają wyższe wymagania dotyczące odprowadzania ciepła niż układy scalone. Obustronne rozpraszanie ciepła, powszechne w przeszłości w opakowaniach tyrystorów, jest teraz po raz pierwszy stosowane w urządzeniach MOS, a DirectFET jest jednym z przykładów. Jeśli chodzi o DirectFET, ten artykuł zawiera krótkie wprowadzenie do niego. 3) Nowym trendem jest to, że półprzewodnikowe elementy mocy i układy scalone są często łączone w tym samym układzie scalonym lub w tej samej obudowie. Innymi słowy, bardziej funkcjonalna część sterująca i część zasilająca lub obwód ochronny są połączone w jednym urządzeniu. W przeszłości układy scalone mocy, do których ludzie się odwołują, odnoszą się głównie do wysokonapięciowych obwodów napędowych, to znaczy układów scalonych używanych do napędzania tranzystorów MOSFET lub IGBT o wyższym napięciu. Jednak obecnie wyprodukowano klasę układów scalonych i związanych z nimi urządzeń zasilających zwaną zarządzaniem energią. Napięcie może nie być wysokie, ale funkcja sterowania jest znacznie ulepszona. Najbardziej typowe są niektóre urządzenia w aplikacjach DC-DC. W związku z tym koncepcja, że ​​urządzenia zasilające odnoszą się tylko do urządzeń dyskretnych, uległa zasadniczej zmianie. Na przykład zaawansowane urządzenia związane z układami scalonymi lub ze specjalnymi funkcjami wytwarzanymi przez IR wyprzedziły konwencjonalne urządzenia dyskretne i są dalej rozwijane w kierunku systemów produkcyjnych &.&cyt; Mówi się, że produkcja zaawansowanych urządzeń, takich jak systemy i układy scalone, stanie się podstawą w przyszłości. W takim procesie rozwoju coraz częściej pojawia się pojęcie zarządzania energią. Formułowanie zarządzania energią za granicą stało się dość popularne, zwłaszcza w branży energoelektronicznej związanej z przemysłem 4C. Częstotliwość jego pojawiania się jest nawet wyższa niż w przypadku oryginalnej energoelektroniki. Niektórzy zagraniczni producenci często nazywają siebie ekspertami od zarządzania energią. W rzeczywistości nie ma w tym żadnej sprzeczności, ponieważ zarządzanie energią to dopiero nowe sformułowanie w niektórych dziedzinach na obecnym etapie rozwoju energoelektroniki. W porównaniu z energoelektroniką, zarządzanie energią kładzie nacisk na&zarządzanie.&cyt; Podkreśla funkcję kontrolowania tego aspektu. Słowo Moc może oznaczać moc, elektryczność lub moc. Zarządzanie może być również rozumiane jako zarządzanie lub przetwarzanie. Dlatego może istnieć wiele rodzajów tłumaczeń na język chiński. Jednak cztery chińskie znaki do zarządzania energią pojawiały się w Chinach wiele razy, co może sprawić trochę kłopotów standardowemu językowi. Jednak wiele terminów zagranicznych ma swój własny proces rozwojowy i często pojawia się wiele nowych terminów. Powinniśmy lepiej zrozumieć pojawienie się tych nowych terminów z perspektywy technicznej. Konwersja mocy (konwersja mocy) była kiedyś prawie synonimem energoelektroniki. Zagraniczny magazyn zmienił kiedyś tytuł Power Electronics na Power Conversion and Intelligent Motion (PCIM). Ale konwersja mocy nie może' obejmować zarządzania energią w elektronice mocy. Takie jak regulacja współczynnika mocy* i regulator niskiego spadku (LDO) i tak dalej. LDO jest szeroko stosowany w zasilaczach komputerowych jako niewielki zakres regulacji i stabilizacji napięcia. Jest to układ scalony i zawiera również urządzenia zasilające. Na przykład w zasilaczu AC-DC może znajdować się urządzenie zasilające z włączaniem PWM i zerowym napięciem, które jest również układem scalonym. Nazywa się to zintegrowanym przełącznikiem w podczerwieni. Są to typowe przykłady połączenia urządzeń IC i zasilania. Tej wiosny, na pierwszym spotkaniu i wystawie PCIM', która odbyła się w Chinach, przedstawiłem kiedyś raport na temat DirectFET w imieniu kolegi z IR. To nowy hot spot dla IR. Chciałbym tutaj krótko przedstawić to urządzenie. Jak wszyscy wiecie, istnieje już wiele urządzeń zasilających wykorzystujących montaż powierzchniowy. Ale te formy opakowań generalnie odpowiadają oryginalnemu opakowaniu układów scalonych. Dlatego z punktu widzenia odprowadzania ciepła niekoniecznie jest najbardziej odpowiedni dla urządzeń zasilających. DirectFET to pierwszy przypadek, w którym dwustronne rozpraszanie ciepła z urządzeń zasilających zostało wprowadzone do urządzeń do montażu powierzchniowego. Rozmiar DirectFET jest równoważny obudowie SO-8, ale rezystancja samej obudowy wynosi tylko 0,1 miliomów, podczas gdy SO-8 wynosi 1,5 miliomów. Dzięki temu gęstość prądu urządzenia jest podwojona, a powierzchnia płytki drukowanej zmniejszona o 50% w porównaniu z oryginalną obudową SO-8. Synchroniczny konwerter buck składający się z pary DirectFET (sterowanie FET i synchroniczny FET) może dostarczyć 30 amperów prądu przy 1,3 woltach. Powstały system zasilania spełnia wymagania zarządzania energią najnowszego 64-bitowego procesora Intel Itanium2. Zobacz Rysunek 1, aby zobaczyć wygląd DirectFET. Rysunek pokazuje dwie strony urządzenia, jedna strona może zobaczyć bramkę i dwie części wyprowadzające źródło, będą one bezpośrednio lutowane na płytce drukowanej. Druga strona to miedziana osłona, która jest odpływem, a druga strona może rozpraszać ciepło. Rysunek 2 przedstawia przekrój DirectFET, dzięki czemu można lepiej zrozumieć jego strukturę. Dla tych, którzy są przyzwyczajeni do urządzeń o dużej mocy, będzie to zupełnie nowe: DirectFET ma tylko 5x6,35x0,7 mm. Urządzenie to znajdzie zastosowanie w wysokiej klasy notebookach, modułach modulacji napięcia serwerów, stacji roboczych i hostów oraz zaawansowanych systemach komunikacji i danych. Na końcu artykułu chciałbym pokrótce przedstawić kombinację układów scalonych i urządzeń zasilających w modułach mocy. Można powiedzieć, że jest to połączenie mikroelektroniki i energoelektroniki dla większych mocy. Każdy zna IPM, moduł IGBT z inteligencją powszechnie stosowany w klimatyzatorach. W rzeczywistości jest to moduł IGBT z układem scalonym sterownika. Obecnie aktualizowane moduły powstają jeden po drugim, tworząc dużą rodzinę w zależności od różnych potrzeb. Na przykład PI-IPM odnosi się do programowalnego i izolowanego IPM. W tym module używany jest procesor DSP i można napisać oprogramowanie. W przyszłości dam specjalne wprowadzenie do tej dużej rodziny.