Ηλεκτρονικά Ισχύος και Διαχείριση Ενέργειας

Τα ηλεκτρονικά ισχύος δημιουργήθηκαν τη δεκαετία του 1970. Πριν από αυτό, οι άνθρωποι το αποκαλούσαν μεταβλητή τρέχουσα τεχνολογία ή τεχνολογία μετατροπής ισχύος. Αναπτύχθηκε από την τεχνολογία διόρθωσης τη δεκαετία του 1940 και του 1950. Νωρίς σε αυτόν τον κλάδο, υπάρχουν Xi' · ένα ερευνητικό ινστιτούτο ανορθωτή, μεγάλα εργοστάσια ανορθωτών σε όλη τη χώρα, η International Rectifier Company στις Ηνωμένες Πολιτείες κ.ο.κ. Ο προκάτοχος του Xi' ένα Rectifier Research Institute, το Semiconductor Research Laboratory of the Electrical Equipment Research Institute του Υπουργείου Μηχανημάτων είναι η παλαιότερη μονάδα που ασχολείται με τους ημιαγωγούς ισχύος στην Κίνα. Η International Rectifier Company, που ιδρύθηκε το 1947, θεωρείται επίσης η πρώτη εταιρεία ημιαγωγών στις Ηνωμένες Πολιτείες. Όταν το θυρίστορ εξελίσσεται σε μεγάλη οικογένεια, όταν αναπτύσσονται σταδιακά ορισμένες συσκευές με μικρό χρόνο απενεργοποίησης ή εύκολο απενεργοποίηση, η εφαρμογή μετατροπέα σταδιακά ανεβαίνει στην κυρίαρχη εφαρμογή. Εκείνη τη στιγμή, η ακαδημαϊκή κοινότητα πρότεινε ότι πρέπει να υπάρξει μια νέα πειθαρχία για να ταξινομήσει αυτήν την εξέλιξη. Υπάρχουν λοιπόν ηλεκτρονικά ισχύος σε σχέση με τα ηλεκτρονικά πληροφοριών. Το πρώτο ασχολείται με την πληροφορία και το δεύτερο με την εξουσία. Πιο αυστηρή θεωρία ελέγχου και νέα ηλεκτρονική τεχνολογία έχουν επίσης εισαχθεί σε αυτό το θέμα. Εκείνη την εποχή, η κατεύθυνση της εφαρμογής επικεντρώθηκε σε βιομηχανικές εφαρμογές, οπισθέλκουσα οχημάτων και συστήματα ισχύος, οπότε οι άνθρωποι ανησυχούν περισσότερο για την ανάπτυξη κατεύθυνσης υψηλής ισχύος. Για παράδειγμα, αν και τα αμφίδρομα θυρίστορ έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως στις οικιακές συσκευές, η Κίνα έκλεισε την ανάπτυξη αμφίδρομων θυρίστορ προς τις βιομηχανικές εφαρμογές τη δεκαετία του 1970. Μετά από αυτό, δεν εξελίχθηκε σε αμφίδρομο θυρίστορ για οικιακές συσκευές. Όσον αφορά τους ημιαγωγούς υψηλής ισχύος, το χάσμα μεταξύ της Κίνας και των ξένων χωρών δεν ήταν πολύ μεγάλο. Λόγω των τεράστιων αναγκών υποδομής της Κίνας', σε σύγκριση με τις ξένες χώρες, οι συσκευές ημιαγωγών υψηλής ισχύος έχουν περισσότερες χρήσεις σε αυτό το στάδιο. Τα τελευταία χρόνια, έχουν εισαχθεί ορισμένα μεγάλα έργα, γεγονός που μείωσε περαιτέρω το χάσμα με τις ξένες χώρες. Αυτή είναι μια πτυχή της ανάπτυξης των ηλεκτρονικών ισχύος. Μπορεί επίσης να είναι μια σημαντική πτυχή στην οποία η χώρα μου έδινε πάντα σημασία στην Power Electronics Society. Μετά την άνοδο των συσκευών τύπου MOS στις αρχές της δεκαετίας του 1980, μετά από περισσότερα από δέκα χρόνια ανάπτυξης, τα ηλεκτρονικά ισχύος κάλυψαν περισσότερους άλλους τομείς, όπως η βιομηχανία 4C (Επικοινωνία, Υπολογιστής, Καταναλωτικές ηλεκτρικές συσκευές, αυτοκίνητα αυτοκινήτων). Προς το παρόν, η πρόοδος της τεχνολογίας του τονίζει λιγότερο το μέγεθος της ισχύος, αλλά εστιάζει στην παροχή σε αυτές τις βιομηχανίες πιο αποδοτικών, μικρών και ελαφρών πηγών ενέργειας. Αν πούμε ότι τα ηλεκτρονικά υψηλής ισχύος δίνουν έμφαση στο σύστημα εκτέλεσης, τα ηλεκτρονικά χαμηλής ισχύος δίνουν έμφαση στην παροχή ρεύματος. Εάν η μικροηλεκτρονική παρομοιάζεται με τον εγκέφαλο, τα μεγάλα ηλεκτρονικά ισχύος δίνουν έμφαση στο ρόλο των χεριών και των ποδιών, ενώ τα μικρά ηλεκτρονικά ισχύος τον ρόλο της καρδιάς. Η Εταιρεία Τροφοδοσίας της χώρας μας θα δώσει φυσικά μεγαλύτερη σημασία στον ρόλο της τελευταίας. Και τα δύο όμως ανήκουν στα ηλεκτρονικά ισχύος. Πιστεύω ότι και οι δύο κοινωνίες θα ενδιαφέρονται για την ανάπτυξη των ηλεκτρονικών ισχύος σε δύο πτυχές. Συνοψίζοντας, είναι η εικοσαετής ανάπτυξη διαφόρων θυρίστορ, που έθεσε μια σταθερή βάση για την ανάπτυξη των ηλεκτρονικών ισχύος στη βιομηχανία, την οδήγηση και τα συστήματα ισχύος. Έτσι σχηματίζονται τα ηλεκτρονικά ισχύος. Μετά από αυτό, διάφορες συσκευές τύπου MOS γνώρισαν δύο δεκαετίες ανάπτυξης, οι οποίες έθεσαν επίσης μια σταθερή βάση για την ανάπτυξη της βιομηχανίας 4C. Κάντε την τεχνολογία ηλεκτρονικών ισχύος ένα μεγάλο βήμα προς τα εμπρός. Προς το παρόν, λόγω της περαιτέρω ενσωμάτωσης της μικροηλεκτρονικής και των ηλεκτρονικών ισχύος, οι συσκευές ημιαγωγών ισχύος κάνουν το τρίτο βήμα, το οποίο μπορεί να εκδηλωθεί στις ακόλουθες τρεις πτυχές: 1) Η κατασκευή τσιπ νέων συσκευών ημιαγωγών ισχύος χρησιμοποιεί όλο και περισσότερο τσιπ ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Η τεχνολογία, με άλλα λόγια, οι συσκευές ημιαγωγών ισχύος υιοθετούν την τεχνολογία sub-micron και αναπτύσσονται προς την κατεύθυνση του βαθύ sub-micron. Η ιδέα ότι οι συσκευές ημιαγωγών ισχύος είναι απλώς μια τεχνολογία χαμηλού επιπέδου θα πρέπει τώρα να αλλάξει. Φυσικά, η κατασκευή συσκευών ημιαγωγών ισχύος δεν χρησιμοποίησε την πιο προηγμένη τεχνολογία διεργασιών IC του έτους, αλλά αυτές οι διαφορές επέτρεψαν τη χρήση φθηνότερου εξοπλισμού, μειώνοντας έτσι το κόστος κατασκευής, το οποίο είναι πολύ σημαντικό για την ανάπτυξη συσκευών ημιαγωγών ισχύος. 2) Όχι μόνο η τεχνολογία τσιπ, αλλά και η τεχνολογία συσκευασίας συσκευών ημιαγωγών ισχύος κινείται πιο κοντά στα ολοκληρωμένα κυκλώματα. Τα τελευταία χρόνια, τα καυτά σημεία για συσκευασίες ολοκληρωμένου κυκλώματος ήταν η χρήση τεχνολογιών BGA (Ball Grid Array) και MCM (Multi-Chip Module), οι οποίες σταδιακά έγιναν μέθοδοι συσκευασίας που υιοθετήθηκαν από νέες συσκευές ημιαγωγών ισχύος. Για παράδειγμα, τα FlipFET και iPOWIR του IR' χρησιμοποιούν και τα δύο τεχνολογία BGA και το iPOWIR είναι επίσης η πιο τυπική τεχνολογία MCM. Φυσικά, οι συσκευές ημιαγωγών ισχύος έχουν υψηλότερες απαιτήσεις για τη διάχυση θερμότητας από τα ολοκληρωμένα κυκλώματα. Η διπλής όψης διάχυση θερμότητας που ήταν συνηθισμένη στις συσκευασίες θυρίστορ στο παρελθόν χρησιμοποιείται τώρα σε συσκευές MOS για πρώτη φορά. Το DirectFET είναι ένα παράδειγμα αυτού. Όσον αφορά το DirectFET, αυτό το άρθρο θα δώσει μια σύντομη εισαγωγή σε αυτό. 3) Μια νέα τάση είναι ότι οι συσκευές ημιαγωγών ισχύος και τα ολοκληρωμένα κυκλώματα συνδυάζονται συχνά στο ίδιο τσιπ ή το ίδιο πακέτο. Με άλλα λόγια, το πιο λειτουργικό τμήμα ελέγχου και το τμήμα ισχύος ή το κύκλωμα προστασίας συνδυάζονται σε μία συσκευή. Στο παρελθόν, τα ολοκληρωμένα κυκλώματα ισχύος στα οποία αναφέρονται οι άνθρωποι αναφέρονται κυρίως σε κυκλώματα κίνησης υψηλής τάσης, δηλαδή ολοκληρωμένα κυκλώματα που χρησιμοποιούνται για την οδήγηση MOSFET ή IGBT υψηλότερης τάσης. Ωστόσο, μια κατηγορία ολοκληρωμένων κυκλωμάτων και σχετικών συσκευών ισχύος που ονομάζονται διαχείριση ενέργειας έχουν παραχθεί προς το παρόν. Η τάση μπορεί να μην είναι υψηλή, αλλά η λειτουργία ελέγχου βελτιώνεται σημαντικά. Οι πιο χαρακτηριστικές είναι μερικές συσκευές σε εφαρμογές DC-DC. Επομένως, η ιδέα ότι οι συσκευές ισχύος αναφέρονται μόνο σε διακριτές συσκευές έχει υποστεί μια θεμελιώδη αλλαγή. Για παράδειγμα, προηγμένες συσκευές που σχετίζονται με IC ή με ειδικές λειτουργίες που παράγονται από IR έχουν ξεπεράσει τις συμβατικές διακριτές συσκευές και αναπτύσσονται περαιτέρω προς την κατεύθυνση της παραγωγής &." Υπάρχει μια παροιμία ότι η παραγωγή προηγμένων συσκευών όπως τα συστήματα και τα IC θα γίνει η βασική βάση στο μέλλον. Σε μια τέτοια διαδικασία ανάπτυξης, ο όρος Διαχείριση Ενέργειας γίνεται όλο και πιο συνηθισμένος. Η διατύπωση της διαχείρισης ισχύος στο εξωτερικό έχει γίνει αρκετά δημοφιλής, ειδικά στη βιομηχανία ηλεκτρονικών ισχύος που σχετίζεται με τη βιομηχανία 4C. Η συχνότητα εμφάνισής του είναι ακόμη μεγαλύτερη από αυτή των αρχικών ηλεκτρονικών ισχύος. Μερικοί ξένοι κατασκευαστές συχνά αυτοαποκαλούνται εμπειρογνώμονες διαχείρισης ενέργειας. Στην πραγματικότητα, δεν υπάρχει αντίφαση από αυτή την άποψη, επειδή η διαχείριση ισχύος είναι απλώς μια νέα διατύπωση σε ορισμένους τομείς στο τρέχον στάδιο ανάπτυξης ηλεκτρονικών ισχύος. Σε σύγκριση με τα ηλεκτρονικά ισχύος, η διαχείριση ισχύος δίνει έμφαση στη διαχείριση &." Τονίζει τη λειτουργία του ελέγχου αυτής της πτυχής. Η λέξη Δύναμη μπορεί να σημαίνει δύναμη, ηλεκτρική ενέργεια ή ισχύ. Η διαχείριση μπορεί επίσης να νοηθεί ως διαχείριση ή επεξεργασία. Ως εκ τούτου, μπορεί να υπάρχουν πολλά είδη κινεζικών μεταφράσεων. Ωστόσο, οι τέσσερις κινεζικοί χαρακτήρες για τη διαχείριση ισχύος έχουν εμφανιστεί στην Κίνα πολλές φορές, γεγονός που μπορεί να προσθέσει κάποιο πρόβλημα στην τυπική γλώσσα. Ωστόσο, πολλοί ξένοι όροι έχουν τη δική τους διαδικασία ανάπτυξης και συχνά εμφανίζονται πολλοί νέοι όροι. Θα πρέπει να έχουμε βαθύτερη κατανόηση της εμφάνισης αυτών των νέων όρων από τεχνική άποψη. Η μετατροπή ισχύος (Power Conversion) παλαιότερα ήταν σχεδόν συνώνυμη με τα ηλεκτρονικά ισχύος. Ένα ξένο περιοδικό κάποτε άλλαξε τον τίτλο του Power Electronics σε Power Conversion and Intelligent Motion (PCIM). Αλλά η μετατροπή ισχύος δεν μπορεί' να περιλαμβάνει όλες τη διαχείριση ενέργειας στα ηλεκτρονικά ισχύος. Όπως ρύθμιση συντελεστή ισχύος* και ρυθμιστής χαμηλής εγκατάλειψης (LDO) και ούτω καθεξής. Το LDO χρησιμοποιείται ευρέως στην τροφοδοσία υπολογιστών ως ρύθμιση και σταθεροποίηση τάσης μικρού εύρους. Είναι ένα IC και περιλαμβάνει επίσης συσκευές τροφοδοσίας. Για παράδειγμα, σε ένα τροφοδοτικό AC-DC, μπορεί να υπάρχει μια συσκευή τροφοδοσίας με PWM και μηδενική τάση ενεργοποίησης, η οποία είναι επίσης ένα IC. Ονομάζεται Integrated Switch in IR. Αυτά είναι τυπικά παραδείγματα συνδυασμού συσκευών IC και ισχύος. Αυτή την άνοιξη, στην πρώτη συνάντηση και έκθεση έκθεσης PCIM' που πραγματοποιήθηκε στην Κίνα, παρουσίασα κάποτε μια έκθεση για το DirectFET για λογαριασμό ενός συναδέλφου IR. Αυτό είναι ένα νέο hot spot για το IR. Θα ήθελα να κάνω μια σύντομη εισαγωγή σε αυτήν τη συσκευή εδώ. Όπως όλοι γνωρίζετε, υπάρχουν ήδη πολλές συσκευές ισχύος που χρησιμοποιούν επιτοίχια τοποθέτηση. Αλλά αυτές οι φόρμες συσκευασίας ακολουθούν γενικά την αρχική συσκευασία των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Επομένως, από την άποψη της διάχυσης της θερμότητας, δεν είναι απαραίτητα το πιο κατάλληλο για συσκευές ισχύος. Το DirectFET είναι η πρώτη φορά που η διάχυση θερμότητας διπλής όψης των συσκευών ισχύος εισάγεται σε συσκευές επιφανειακής τοποθέτησης. Το μέγεθος του DirectFET είναι ισοδύναμο με τη θήκη SO-8, αλλά η αντίσταση της θήκης από μόνη της είναι μόνο 0,1 milliohms, ενώ το SO-8 είναι 1,5 milliohms. Επομένως, η πυκνότητα ρεύματος της συσκευής διπλασιάζεται και η περιοχή της πλακέτας μειώνεται κατά 50% σε σύγκριση με το αρχικό περίβλημα SO-8. Ένας σύγχρονος μετατροπέας buck που αποτελείται από ένα ζεύγος DirectFET (FET ελέγχου και σύγχρονος FET) μπορεί να παρέχει 30 αμπέρ ρεύματος στα 1,3 βολτ. Το σύστημα ισχύος που προκύπτει πληροί τις απαιτήσεις διαχείρισης ενέργειας του τελευταίου επεξεργαστή 64-bit της Intel Itanium2. Ανατρέξτε στο Σχήμα 1 για την εμφάνιση του DirectFET. Το σχήμα δείχνει τις δύο πλευρές της συσκευής, η μία πλευρά μπορεί να δει μια πύλη και δύο εξαρτήματα προεξοχής, θα συγκολληθούν απευθείας στην πλακέτα κυκλώματος. Η άλλη πλευρά είναι ένα χάλκινο κάλυμμα, το οποίο είναι η αποχέτευση και η άλλη πλευρά που μπορεί να διαλύσει τη θερμότητα. Το σχήμα 2 δείχνει μια εγκάρσια τομή του DirectFET, έτσι ώστε να μπορείτε να κατανοήσετε τη δομή του με μεγαλύτερη σαφήνεια. Για όσους έχουν συνηθίσει σε συσκευές υψηλής ισχύος, θα είναι πολύ νέο: το DirectFET έχει μέγεθος μόνο 5x6.35x0.7mm. Αυτή η συσκευή θα χρησιμοποιηθεί σε φορητούς υπολογιστές υψηλής τεχνολογίας, μονάδες διαμόρφωσης τάσης διακομιστών, σταθμών εργασίας και κεντρικούς υπολογιστές και προηγμένα συστήματα επικοινωνίας και δεδομένων. Θα ήθελα να παρουσιάσω εν συντομία τον συνδυασμό συσκευών IC και ισχύος σε μονάδες ισχύος στο τέλος αυτού του άρθρου. Μπορεί να ειπωθεί ότι πρόκειται για συνδυασμό μικροηλεκτρονικών και ηλεκτρονικών ισχύος για υψηλότερη ισχύ. Όλοι είναι εξοικειωμένοι με την IPM, την ενότητα IGBT με ευφυΐα που χρησιμοποιείται συνήθως στα κλιματιστικά. Στην πραγματικότητα είναι μια ενότητα IGBT με IC οδηγού. Οι τρέχουσες ενημερωμένες ενότητες εμφανίζονται η μία μετά την άλλη, σχηματίζοντας μια μεγάλη οικογένεια σύμφωνα με διαφορετικές ανάγκες. Για παράδειγμα, το PI-IPM αναφέρεται σε προγραμματιζόμενη και μονωμένη IPM. Το DSP χρησιμοποιείται σε αυτήν την ενότητα και μπορεί να γραφτεί λογισμικό. Θα δώσω μια ειδική εισαγωγή σε αυτή τη μεγάλη οικογένεια στο μέλλον.