Výkonová elektronika a správa napájania

Výkonná elektronika vznikla v 70. rokoch minulého storočia. Predtým to ľudia nazývali technológiou premenlivého prúdu alebo technológiou premeny energie. Je vyvinutý z technológie rektifikácie v štyridsiatych a päťdesiatych rokoch minulého storočia. Na začiatku tohto odvetvia existuje Xi' Výskumný ústav usmerňovačov, hlavné továrne na usmerňovače v celej krajine, International Rectifier Company v USA a tak ďalej. Predchodca Xi' Výskumný ústav usmerňovačov, výskumné laboratórium polovodičov Výskumného ústavu elektrických zariadení ministerstva strojného zariadenia je prvou jednotkou zaoberajúcou sa výkonovými polovodičmi v Číne. Spoločnosť International Rectifier Company, založená v roku 1947, je tiež považovaná za najstaršiu polovodičovú spoločnosť v USA. Keď sa tyristor vyvinie do veľkej rodiny, keď sa postupne vyvíjajú niektoré zariadenia s krátkym časom vypnutia alebo s jednoduchým vypnutím, aplikácia invertora sa postupne dostane k dominantnej aplikácii. V tomto čase akademická obec navrhla, aby existovala nová disciplína na klasifikáciu tohto vývoja. Existuje teda výkonová elektronika v porovnaní s informačnou elektronikou. Prvý sa zaoberá informáciami a druhý sa zaoberá mocou. Do tejto témy bolo tiež zavedených viac teórie automatického riadenia a nová elektronická technológia. V tej dobe sa aplikačný smer zameriaval na priemyselné aplikácie, systémy ťahania vozidiel a energetické systémy, takže ľudí najviac znepokojuje vývoj smeru vysokého výkonu. Napríklad, aj keď sú obojsmerné tyristory široko používané v domácich spotrebičoch, Čína v 70. rokoch stále blokovala vývoj obojsmerných tyristorov v smere priemyselných aplikácií. Potom sa nevyvinul na obojsmerný tyristor pre domáce spotrebiče. Pokiaľ ide o vysokovýkonné polovodiče, rozdiel medzi Čínou a zahraničím nebol príliš veľký. Vzhľadom na obrovské potreby Číny' v porovnaní so zahraničím majú v tejto fáze viac výkonné polovodičové zariadenia viac využití. V posledných rokoch bolo zavedených niekoľko veľkých projektov, ktoré ešte viac zmenšili priepasť so zahraničím. Toto je aspekt vývoja výkonovej elektroniky. Môže to byť tiež hlavný aspekt, ktorému spoločnosť v našej krajine pre energetickú elektroniku vždy pripisovala dôležitosť. Po nástupe zariadení typu MOS na začiatku osemdesiatych rokov minulého storočia, po viac ako desiatich rokoch vývoja, zasiahla výkonová elektronika viac ďalších oblastí, ako napríklad priemysel 4C (komunikácia, počítač, spotrebné elektrické spotrebiče, automobily). V súčasnej dobe pokrok jej technológie menej zdôrazňuje veľkosť energie, ale zameriava sa na to, aby týmto odvetviam poskytli účinnejšie, malé a ľahké zdroje energie. Ak hovoríme, že výkonová elektronika s vysokým výkonom kladie dôraz na realizačný systém, výkonová elektronika s nízkym výkonom kladie dôraz na napájanie. Ak je mikroelektronika prirovnaná k mozgu, veľká výkonová elektronika zdôrazňuje úlohu rúk a nôh, zatiaľ čo malá výkonová elektronika vyzdvihuje úlohu srdca. Spoločnosť pre napájanie v našej krajine bude svojej úlohe prirodzene venovať väčšiu pozornosť. Oba ale patria k výkonovej elektronike. Verím, že obidvom spoločnostiam bude záležať na rozvoji výkonovej elektroniky v dvoch aspektoch. Stručne povedané, je to dvadsaťročný vývoj rôznych tyristorov, ktorý položil pevné základy pre rozvoj výkonovej elektroniky v priemysle, riadiacich a energetických systémoch. Vzniká tak výkonová elektronika. Potom dve zariadenia typu MOS zažili dve desaťročia vývoja, ktoré tiež položili pevný základ pre rozvoj priemyslu 4C. Urobte z technológie výkonovej elektroniky veľký krok vpred. V súčasnosti vzhľadom na ďalšiu integráciu mikroelektroniky a výkonovej elektroniky výkonové polovodičové zariadenia robia tretí krok, ktorý sa môže prejaviť v nasledujúcich troch aspektoch: 1) Výroba čipov nových výkonových polovodičových zariadení stále viac využíva čipy s integrovanými obvodmi. Technológia, inými slovami, výkonové polovodičové zariadenia preberajú submikrónovú technológiu a vyvíjajú sa v smere hlbokých submikrónových. Pojem, že výkonové polovodičové zariadenia sú iba technológiou nízkej úrovne, by sa teraz mal zmeniť. Pri výrobe výkonových polovodičových zariadení sa samozrejme nepoužívala najpokročilejšia technológia IC roku, ale tieto rozdiely umožnili použitie lacnejších zariadení, čím sa znížili výrobné náklady, čo je pre vývoj výkonových polovodičových zariadení veľmi dôležité. 2) Nielen čipová technológia, ale aj technológia balenia výkonových polovodičových zariadení sa posúva bližšie k integrovaným obvodom. V posledných rokoch bolo horúcimi miestami pre balenie integrovaných obvodov používanie technológií BGA (Ball Grid Array) a MCM (Multi-Chip Module), ktoré sa postupne stali metódami balenia, ktoré zaviedli nové výkonové polovodičové zariadenia. Napríklad IR' s FlipFET a iPOWIR používajú technológiu BGA a iPOWIR je tiež najtypickejšou technológiou MCM. Výkonové polovodičové zariadenia majú samozrejme vyššie požiadavky na odvod tepla ako integrované obvody. Obojstranný odvod tepla, ktorý bol v minulosti v obaloch tyristorov bežný, sa teraz v zariadeniach MOS používa prvýkrát. DirectFET je toho príkladom. Pokiaľ ide o DirectFET, tento článok ho stručne predstaví. 3) Novým trendom je, že výkonové polovodičové zariadenia a integrované obvody sú často kombinované v jednom čipe alebo rovnakom balení. Inými slovami, funkčnejšia riadiaca časť a výkonová časť alebo ochranný obvod sú kombinované v jednom zariadení. V minulosti sa výkonové integrované obvody, ktoré ľudia označujú, vzťahovali hlavne na vysokonapäťové pohonné obvody, to znamená integrované obvody používané na pohon MOSFET alebo IGBT s vyšším napätím. V súčasnej dobe však bola vyvinutá trieda integrovaných obvodov a súvisiacich energetických zariadení nazývaná správa napájania. Napätie nemusí byť vysoké, ale funkcia ovládania je výrazne vylepšená. Najtypickejšími sú niektoré zariadenia v aplikáciách DC-DC. Preto koncept, že napájacie zariadenia odkazujú iba na diskrétne zariadenia, prešiel zásadnou zmenou. Pokročilé zariadenia súvisiace s IC alebo so špeciálnymi funkciami produkovanými IR prekonali konvenčné diskrétne zariadenia a ďalej sa vyvíjajú v smere výrobných&systémov." Hovorí sa, že výroba pokročilých zariadení, akými sú systémy a integrované obvody, sa v budúcnosti stane nosným pilierom. V takom procese vývoja sa stále častejšie skloňuje pojem Power Management. Formulácia správy napájania v zahraničí sa stala veľmi populárnou, najmä v odvetví výkonnej elektroniky súvisiacej s odvetvím 4C. Frekvencia jeho vzhľadu je ešte vyššia ako u pôvodnej výkonovej elektroniky. Niektorí zahraniční výrobcovia sa často nazývajú odborníkmi na manažment energie. V tomto ohľade v skutočnosti neexistuje žiadny rozpor, pretože manažment napájania je v súčasnej fáze vývoja výkonovej elektroniky iba novou formuláciou v určitých oblastiach. V porovnaní s výkonovou elektronikou kladie energetický manažment dôraz na riadenie &." Zdôrazňuje funkciu ovládania tohto aspektu. Slovo moc môže znamenať silu, elektrinu alebo silu. Manažment možno chápať aj ako manažment alebo spracovanie. Preto môže existovať mnoho druhov čínskych prekladov. Štyri čínske znaky pre správu napájania sa však v Číne objavili mnohokrát, čo môže štandardnému jazyku spôsobiť problémy. Mnoho zahraničných pojmov má však svoj vlastný vývojový proces a často sa objavuje mnoho nových výrazov. Mali by sme hlbšie porozumieť vzniku týchto nových pojmov z technického hľadiska. Power Conversion (Power Conversion) bol kedysi takmer synonymom výkonovej elektroniky. Zahraničný časopis kedysi zmenil názov Power Electronics na Power Conversion and Intelligent Motion (PCIM). Konverzia energie však nemôže' zahrnovať riadenie výkonu vo výkonovej elektronike. Napríklad úprava účinníka* a regulátor nízkeho výpadku (LDO) a tak ďalej. LDO je široko používaný v napájaní počítačov ako úprava a stabilizácia napätia v malom rozsahu. Je to integrovaný obvod a obsahuje aj napájacie zariadenia. Napríklad v napájacom zdroji AC-DC môže byť výkonové zariadenie s PWM a zapínaním na nulové napätie, ktoré je tiež integrovaným obvodom. V IR sa nazýva integrovaný prepínač. Toto sú typické príklady kombinácie IC a napájacích zariadení. Tento rok na jar som na prvom stretnutí a výstave PCIM' v Číne, kde som kedysi predstavil správu o DirectFET, v mene kolegu IR. Toto je nové horúce miesto pre IR. Tu by som chcel stručne predstaviť toto zariadenie. Ako všetci viete, existuje už mnoho energetických zariadení používajúcich povrchovú montáž. Ale tieto formy balenia sa spravidla riadia pôvodným balením integrovaných obvodov. Preto z pohľadu odvádzania tepla nie je nevyhnutne najvhodnejší pre energetické zariadenia. DirectFET je prvýkrát, kedy bol obojstranný odvod tepla energetických zariadení zavedený do zariadení na povrchovú montáž. Veľkosť DirectFET je ekvivalentná puzdru SO-8, ale samotný odpor puzdra je iba 0,1 miliohmu, zatiaľ čo SO-8 je 1,5 miliohmu. Preto sa prúdová hustota zariadenia zdvojnásobí a plocha obvodovej dosky sa zníži o 50% v porovnaní s pôvodným krytom SO-8. Synchrónny prevodník buck zložený z dvojice DirectFET (riadiaci FET a synchrónny FET) môže poskytnúť 30 ampérov prúdu pri 1,3 voltoch. Výsledný energetický systém spĺňa požiadavky na správu napájania najnovšieho 64-bitového procesora Intel Itanium2. Vzhľad DirectFET nájdete na obrázku 1. Obrázok ukazuje dve strany zariadenia, na jednej strane je vidieť bránu a dve zdrojové vývodové časti, ktoré budú priamo spájkované na doske plošných spojov. Druhá strana je medený kryt, ktorý je odtokom a druhá strana môže odvádzať teplo. Obrázok 2 zobrazuje prierez rozhraním DirectFET, aby ste jeho štruktúre porozumeli jasnejšie. Pre tých, ktorí sú zvyknutí na zariadenia s vysokým výkonom, to bude veľmi nový pocit: DirectFET má veľkosť iba 5 x 6,35 x 0,7 mm. Toto zariadenie bude použité v špičkových prenosných počítačoch, moduloch napäťovej modulácie serverov, pracovných staníc a hostiteľov a v pokročilých komunikačných a dátových systémoch. Na konci tohto článku by som chcel stručne predstaviť kombináciu IC a napájacích zariadení vo výkonových moduloch. Dá sa povedať, že ide o kombináciu mikroelektroniky a výkonovej elektroniky pre vyšší výkon. Každý pozná IPM, modul IGBT s inteligenciou bežne používanou v klimatizáciách. Je to vlastne modul IGBT s integrovaným obvodom ovládača. Aktuálne aktualizované moduly sa objavujú jeden po druhom a tvoria veľkú rodinu podľa rôznych potrieb. Napríklad PI-IPM označuje programovateľný a izolovaný IPM. V tomto module je použitý DSP a je možné písať softvér. V budúcnosti budem tejto veľkej rodine osobitne predstavovať.