Výkonová elektronika a správa napájania

Výkonová elektronika sa sformovala v 70. rokoch. Predtým to ľudia nazývali technológiou variabilného prúdu alebo technológiou premeny energie. Je vyvinutý z rektifikačnej technológie v 40. a 50. rokoch. Na začiatku tohto odvetvia existuje Xi' Rectifier Research Institute, veľké továrne na usmerňovače po celej krajine, International Rectifier Company v Spojených štátoch atď. Predchodca Xi&# 39, Výskumného ústavu usmerňovačov, Výskumného ústavu polovodičov Výskumného ústavu elektrických zariadení Ministerstva strojných zariadení je prvou jednotkou zaoberajúcou sa výkonovými polovodičmi v Číne. Za najskoršiu polovodičovú spoločnosť v USA sa považuje aj spoločnosť International Rectifier Company založená v roku 1947. Keď sa tyristor vyvinie do veľkej rodiny, keď sa postupne vyvinú niektoré zariadenia s krátkym časom vypnutia alebo ľahko vypnuteľným, aplikácia invertora postupne stúpne k dominantnej aplikácii. V tejto dobe akademická obec navrhla, aby existovala nová disciplína na klasifikáciu tohto vývoja. Takže v porovnaní s informačnou elektronikou existuje výkonová elektronika. Prvý sa zaoberá informáciami a druhý sa týka moci. Do tohto predmetu bolo tiež zavedených viac teórie automatického riadenia a nová elektronická technológia. V tom čase sa aplikačný smer zameriaval na priemyselné aplikácie, systémy brzdenia a napájania vozidiel, takže ľudí najviac znepokojuje vývoj smerovania s vysokým výkonom. Napríklad aj keď sa obojsmerné tyristory v domácich spotrebičoch často používajú, Čína v 70. rokoch minulého storočia stále zablokovala vývoj obojsmerných tyristorov v smere priemyselných aplikácií. Potom sa z toho nevyvinul obojsmerný tyristor pre domáce spotrebiče. Pokiaľ ide o vysokovýkonné polovodiče, rozdiel medzi Čínou a zahraničím nebol príliš veľký. Pretože Čína&# 39 má obrovské požiadavky na infraštruktúru, v porovnaní so zahraničím majú v tejto fáze viac využitia vysoko výkonné polovodičové zariadenia. V posledných rokoch sa zaviedli niektoré veľké projekty, čo ešte viac zmenšilo priepasť so zahraničím. Toto je aspekt vývoja výkonovej elektroniky. Môže to byť tiež hlavný aspekt, ktorému spoločnosť pre elektroniku v mojej krajine vždy prikladala význam. Po nástupe zariadení typu MOS na začiatku 80. rokov, po viac ako desiatich rokoch vývoja, výkonová elektronika pokrývala ďalšie oblasti, ako napríklad priemysel 4C (komunikácia, počítač, spotrebné elektrické spotrebiče, automobilové automobily). V súčasnosti pokrok v tejto technológii menej zdôrazňuje veľkosť energie, ale sústreďuje sa na poskytovanie týmto odvetviam účinnejších, malých a ľahkých zdrojov energie. Ak hovoríme, že výkonová elektronika s vysokým výkonom zdôrazňuje systém vykonávania, výkonová elektronika s nízkym výkonom zdôrazňuje napájanie. Ak je mikroelektronika prirovnávaná k mozgu, veľká výkonová elektronika zdôrazňuje úlohu rúk a nôh, zatiaľ čo malá výkonová elektronika zdôrazňuje úlohu srdca. Spoločnosť napájania našej krajiny bude prirodzene venovať väčšiu pozornosť úlohe druhej strany. Oba ale patria k výkonovej elektronike. Verím, že obom spoločnostiam bude záležať na vývoji výkonovej elektroniky v dvoch aspektoch. Stručne povedané, ide o dvadsaťročný vývoj rôznych tyristorov, ktorý položil pevné základy pre vývoj výkonovej elektroniky v priemysle, pohonoch a energetických systémoch. Takto sa formuje výkonová elektronika. Potom dve desaťročia vývoja prešli rôzne zariadenia typu MOS, ktoré položili pevný základ pre rozvoj odvetvia 4C. Urobte z technológie výkonovej elektroniky veľký krok vpred. V súčasnej dobe, kvôli ďalšej integrácii mikroelektroniky a výkonovej elektroniky, výkonové polovodičové zariadenia podnikajú tretí krok, ktorý sa môže prejaviť v nasledujúcich troch aspektoch: 1) Výroba čipov nových výkonových polovodičových zariadení čoraz viac využíva čipy integrovaného obvodu. Technológia, inými slovami, výkonové polovodičové zariadenia prijímajú submikrónovú technológiu a vyvíjajú sa smerom k hlbokým submikrónovým. Koncept, že výkonové polovodičové zariadenia sú iba technológiou nízkej úrovne, by sa mal teraz zmeniť. Prirodzene, pri výrobe výkonových polovodičových zariadení nebola použitá najpokročilejšia IC procesová technológia 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. Za posledných pár rokov bolo horúcim bodom pre balenie integrovaných obvodov použitie technológií BGA (Ball Grid Array) a MCM (Multi-Chip Module), ktoré sa postupne stali metódami balenia prijatými novými výkonovými polovodičovými zariadeniami. Napríklad IR' FlipFET a iPOWIR používajú technológiu BGA a iPOWIR je tiež najbežnejšou technológiou MCM. Výkonové polovodičové zariadenia majú samozrejme vyššie požiadavky na odvod tepla ako integrované obvody. Obojstranný rozptyl tepla, ktorý sa v minulosti bežne používal v tyristorových obaloch, sa teraz v zariadeniach MOS používa prvýkrát a jedným príkladom je DirectFET. Pokiaľ ide o DirectFET, v tomto článku uvedieme jeho krátky úvod. 3) Novým trendom je, že výkonové polovodičové zariadenia a integrované obvody sú často kombinované do rovnakého čipu alebo do rovnakého balíka. Inými slovami, funkčnejšia riadiaca časť a výkonová časť alebo ochranný obvod sú spojené v jednom prístroji. V minulosti sa výkonové integrované obvody, ktoré ľudia označujú, hlavne odvolávali na vysokonapäťové budiace obvody, teda na integrované obvody používané na riadenie vysokonapäťových MOSFETov alebo IGBT. V súčasnosti sa však vyrába trieda integrovaných obvodov a súvisiacich energetických zariadení, ktorá sa nazýva správa napájania. Napätie nemusí byť vysoké, ale riadiaca funkcia je výrazne vylepšená. Najtypickejšie sú niektoré zariadenia v aplikáciách DC-DC. Preto koncepcia, že výkonové zariadenia sa týkajú iba diskrétnych zariadení, prešla zásadnou zmenou. Napríklad pokročilé zariadenia súvisiace s IC alebo so špeciálnymi funkciami produkovanými IR prekonali bežné diskrétne zariadenia a ďalej sa vyvíjajú v smere výroby&"systémov." Hovorí sa, že výroba pokrokových zariadení, ako sú systémy a integrované obvody, sa v budúcnosti stane oporou. V takomto vývojovom procese sa čoraz častejšie skloňoval pojem Správa napájania. Formulácia správy napájania v zahraničí sa stala veľmi populárnou, najmä v priemysle výkonovej elektroniky v priemysle 4C. Frekvencia jeho výskytu je ešte vyššia ako u pôvodnej výkonovej elektroniky. Niektorí zahraniční výrobcovia si často hovoria odborníci na správu napájania. V skutočnosti v tomto ohľade nejde o nijaký rozpor, pretože správa napájania je v súčasnej fáze vývoja výkonovej elektroniky iba novou formuláciou v určitých oblastiach. V porovnaní s výkonovou elektronikou správa napájania zdôrazňuje správu"." Zdôrazňuje funkciu riadenia tohto aspektu. Slovo Power môže znamenať výkon, elektrinu alebo výkon. Manažmentom sa dá rozumieť aj manažment alebo spracovanie. Preto môže existovať veľa druhov čínskych prekladov. Štyri čínske znaky pre správu napájania sa však v Číne objavili mnohokrát, čo môže spôsobiť problémy štandardnému jazyku. Mnoho zahraničných výrazov má však svoj vlastný vývojový proces a často sa objavuje veľa nových výrazov. Mali by sme hlbšie pochopiť vznik týchto nových výrazov z technického hľadiska. Konverzia výkonu (Power Conversion) bola v minulosti takmer synonymom výkonovej elektroniky. Zahraničný časopis raz zmenil názov Power Electronics na Power Conversion and Intelligent Motion (PCIM). Konverzia výkonu však nemôže&# 39 zahŕňať správu napájania v výkonovej elektronike. Napríklad nastavenie účinníka * a regulátor nízkeho výpadku (LDO) atď. LDO sa široko používa v napájaní počítača ako nastavenie a stabilizácia napätia malého rozsahu. Je to IC a obsahuje aj napájacie zariadenia. Napríklad v napájacom zdroji AC-DC môže byť napájacie zariadenie s PWM a zapnutím nulového napätia, ktoré je tiež integrovaným obvodom. Nazýva sa Integrated Switch in IR. Toto sú typické príklady kombinácie integrovaných obvodov a napájacích zariadení. Na jar tohto roku, na prvom stretnutí a výstave PCIM&# 39, ktorá sa konala v Číne, som raz predložil správu o DirectFET v mene kolegu IR. Toto je nové horúce miesto pre IR. Tu by som rád stručne predstavil toto zariadenie. Ako všetci viete, existuje veľa napájacích zariadení využívajúcich povrchovú montáž. Ale tieto formy balenia spravidla nasledujú pôvodné obaly integrovaných obvodov. Z hľadiska odvádzania tepla preto nie je nevyhnutne najvhodnejším pre napájacie zariadenia. DirectFET je prvýkrát, čo bol do zariadení s povrchovou montážou zavedený obojstranný odvod tepla výkonových zariadení. Veľkosť DirectFET je ekvivalentná puzdru SO-8, ale odpor samotného puzdra je iba 0,1 miliohmu, zatiaľ čo SO-8 je 1,5 miliohmu. Preto sa prúdová hustota zariadenia zdvojnásobí a plocha dosky s plošnými spojmi 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 systém napájania spĺňa požiadavky na správu napájania najnovšieho 64-bitového procesora Intel Itanium2. Vzhľad DirectFET nájdete na obrázku 1. Na obrázku sú znázornené dve strany zariadenia, na jednej strane je vidieť hradlo a dve časti vývodu zdroja, budú priamo spájkované na doske plošných spojov. Druhou stranou je medený kryt, ktorým je odtok a druhou stranou, ktorá môže odvádzať teplo. Obrázok 2 zobrazuje pohľad na rez DirectFET, aby ste jasnejšie pochopili jeho štruktúru. Pre tých, ktorí sú zvyknutí na vysokovýkonné zariadenia, sa bude cítiť veľmi nový: DirectFET má veľkosť iba 5x6,35x0,7mm. Toto zariadenie sa bude používať v špičkových prenosných počítačoch, moduloch napätia na serveroch, pracovných staniciach a hostiteľoch a v pokročilých komunikačných a dátových systémoch. Na konci tohto článku by som chcel v krátkosti predstaviť kombináciu IC a výkonových zariadení vo výkonových moduloch. Dá sa povedať, že ide o kombináciu mikroelektroniky a výkonovej elektroniky pre vyšší výkon. Každý pozná IPM, IGBT modul s inteligenciou bežne používanou v klimatizáciách. Je to vlastne IGBT modul s ovládačom IC. Aktuálne sa postupne objavujú aktualizované moduly, ktoré vytvárajú veľkú rodinu podľa rôznych potrieb. Napríklad PI-IPM sa týka programovateľného a izolovaného IPM. V tomto module sa používa DSP a je možné písať softvér. V budúcnosti sa tejto veľkej rodine osobitne predstavím.