Ηλεκτρονικά Ισχύος και Διαχείριση Ισχύος

Η Power electronics δημιουργήθηκε τη δεκαετία του 1970. Πριν από αυτό, οι άνθρωποι την ονόμασαν μεταβλητή τρέχουσα τεχνολογία ή τεχνολογία μετατροπής ισχύος. Αναπτύχθηκε από την τεχνολογία διόρθωσης τη δεκαετία του 1940 και του 1950. Νωρίς σε αυτόν τον κλάδο, υπάρχει το Xi&# 39, ένα Rectifier Research Institute, μεγάλα εργοστάσια ανορθωτή σε ολόκληρη τη χώρα, η International Rectifier Company στις Ηνωμένες Πολιτείες και ούτω καθεξής. Ο προκάτοχός του Xi&# 39, ένα Rectifier Research Institute, το Semiconductor Research Laboratory of the Electrical Equipment Research Institute του Υπουργείου Μηχανημάτων είναι η πρώτη μονάδα που ασχολείται με 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 μια μεγάλη οικογένεια, όταν ορισμένες συσκευές με σύντομο χρόνο απενεργοποίησης ή εύκολη απενεργοποίηση αναπτύσσονται σταδιακά, η εφαρμογή μετατροπέα αυξάνεται σταδιακά στην κυρίαρχη εφαρμογή. Αυτή τη στιγμή, η ακαδημαϊκή κοινότητα πρότεινε να υπάρξει μια νέα πειθαρχία για την ταξινόμηση αυτής της εξέλιξης. Υπάρχει λοιπόν ηλεκτρονικό ρεύμα σε σχέση με τα ηλεκτρονικά πληροφοριών. Το πρώτο ασχολείται με πληροφορίες και το δεύτερο ασχολείται με δύναμη. Στο θέμα αυτό έχουν επίσης εισαχθεί περισσότερη θεωρία αυτόματου ελέγχου και νέα ηλεκτρονική τεχνολογία. Εκείνη την εποχή, η κατεύθυνση της εφαρμογής επικεντρώθηκε σε βιομηχανικές εφαρμογές, οπισθοδρόμηση οχημάτων και συστήματα ισχύος, οπότε οι άνθρωποι ανησυχούν περισσότερο για την ανάπτυξη κατεύθυνσης υψηλής ισχύος. Για παράδειγμα, αν και οι αμφίδρομοι θυρίστορες έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως σε οικιακές συσκευές, η Κίνα εξακολουθούσε να κλειδώνει την ανάπτυξη αμφίδρομων θυρίστορ προς την κατεύθυνση των βιομηχανικών εφαρμογών στη δεκαετία του 1970. Μετά από αυτό, δεν εξελίχθηκε σε αμφίδρομο θυρίστορ για οικιακές συσκευές. Όσον αφορά τους ημιαγωγούς υψηλής ισχύος, το χάσμα μεταξύ Κίνας και 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, τα οποία έχουν μειώσει 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 εταιρεία Power Electronics Society έδινε πάντα σημασία. Μετά την άνοδο των συσκευών τύπου MOS στις αρχές της δεκαετίας του 1980, μετά από περισσότερα από δέκα χρόνια ανάπτυξης, η power electronics κάλυψε περισσότερους άλλους τομείς, όπως η βιομηχανία 4C (Επικοινωνία, Υπολογιστής, Καταναλωτικές ηλεκτρικές συσκευές, Αυτοκίνητα αυτοκινήτων). Προς το παρόν, η πρόοδος της τεχνολογίας της υπογραμμίζει λιγότερο το μέγεθος της ισχύος, αλλά εστιάζει στην παροχή σε αυτές τις βιομηχανίες πιο αποδοτικών, μικρών και ελαφρών πηγών ενέργειας. Αν λέμε ότι τα ηλεκτρονικά υψηλής ισχύος δίνει έμφαση στο σύστημα εκτέλεσης, τα ηλεκτρονικά χαμηλής ισχύος δίνει έμφαση στην τροφοδοσία. Εάν η μικροηλεκτρονική παρομοιάζεται με τον εγκέφαλο, τα ηλεκτρονικά μεγάλης ισχύος υπογραμμίζουν τον ρόλο των χεριών και των ποδιών, ενώ τα μικρά ηλεκτρονικά ισχύος τονίζουν τον ρόλο της καρδιάς. Η Εταιρεία Τροφοδοσίας της χώρας μας φυσικά θα δώσει μεγαλύτερη προσοχή στον ρόλο της τελευταίας. Αλλά και τα δύο ανήκουν στην ηλεκτρονική δύναμη. Πιστεύω ότι και οι δύο κοινωνίες θα ενδιαφέρονται για την ανάπτυξη ηλεκτρονικών ισχύος σε δύο πτυχές. Συνοπτικά, είναι η εικοσαετής ανάπτυξη διαφόρων θυρίστορ, η οποία έθεσε μια σταθερή βάση για την ανάπτυξη ηλεκτρονικών ισχύος στη βιομηχανία, την οδήγηση και τα συστήματα ισχύος. Έτσι σχηματίζεται ηλεκτρονική δύναμη. Μετά από αυτό, διάφορες συσκευές τύπου MOS έχουν βιώσει δύο δεκαετίες ανάπτυξης, οι οποίες έθεσαν επίσης σταθερά θεμέλια για την ανάπτυξη της βιομηχανίας 4C. Κάντε την τεχνολογία ηλεκτρονικής ισχύος ένα μεγάλο βήμα προς τα εμπρός. Προς το παρόν, λόγω της περαιτέρω ολοκλήρωσης της μικροηλεκτρονικής και της ηλεκτρονικής 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 ολοκληρωμένα κυκλώματα. Η τεχνολογία, με άλλα λόγια, οι συσκευές ημιαγωγών ισχύος υιοθετούν τεχνολογία sub-micron και αναπτύσσονται προς την κατεύθυνση του deep sub-micron. Η ιδέα ότι οι συσκευές ημιαγωγών ισχύος είναι απλά μια τεχνολογία χαμηλού επιπέδου πρέπει τώρα να αλλάξει. Φυσικά, η κατασκευή συσκευών ημιαγωγών ισχύος δεν χρησιμοποίησε την πιο προηγμένη τεχνολογία επεξεργασίας IC της χρονιάς, αλλά αυτές οι διαφορές κατέστησαν δυνατή 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 ημιαγωγών ισχύος πλησιάζει σε ολοκληρωμένα κυκλώματα. Τα τελευταία χρόνια, τα καυτά σημεία για τη συσκευασία ολοκληρωμένων κυκλωμάτων ήταν η χρήση τεχνολογιών BGA (Ball Grid Array) και MCM (Multi-Chip Module), οι οποίες έγιναν σταδιακά οι μέθοδοι συσκευασίας που υιοθετήθηκαν από νέες συσκευές ημιαγωγών ισχύος. Για παράδειγμα, τα IR FlipFET και iPOWIR της IR&χρησιμοποιούν τεχνολογία BGA και το iPOWIR είναι επίσης η πιο τυπική τεχνολογία MCM. Φυσικά, οι συσκευές ημιαγωγών ισχύος έχουν υψηλότερες απαιτήσεις για την απαγωγή θερμότητας από τα ολοκληρωμένα κυκλώματα. Η διπλή όψη της θερμότητας που χρησιμοποιείται συνήθως στη συσκευασία του θυρίστορ στο παρελθόν χρησιμοποιείται τώρα σε συσκευές MOS για πρώτη φορά και το DirectFET είναι ένα παράδειγμα. 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 στο ίδιο πακέτο. Με άλλα λόγια, το πιο λειτουργικό μέρος 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 κίνηση MOSFET ή IGBT υψηλότερης τάσης. Ωστόσο, επί του παρόντος έχει παραχθεί μια κατηγορία ολοκληρωμένων κυκλωμάτων και συναφών συσκευών ισχύος που ονομάζονται διαχείριση ισχύος. Η τάση μπορεί να μην είναι υψηλή, αλλά η λειτουργία ελέγχου είναι πολύ αυξημένη. Οι πιο τυπικές είναι μερικές συσκευές σε εφαρμογές DC-DC. Επομένως, η ιδέα ότι οι συσκευές τροφοδοσίας 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 την IR έχουν ξεπεράσει τις συμβατικές διακριτές συσκευές και αναπτύσσονται περαιτέρω προς την κατεύθυνση της παραγωγής&συστημάτων." Υπάρχει ένα ρητό ότι η παραγωγή προηγμένων συσκευών όπως τα συστήματα και τα IC θα γίνει το βασικό στήριγμα στο μέλλον. Σε μια τέτοια διαδικασία ανάπτυξης, ο όρος Power Management έχει γίνει όλο και πιο κοινός. Η διατύπωση της διαχείρισης ενέργειας στο εξωτερικό έχει γίνει αρκετά δημοφιλής, ειδικά στη βιομηχανία ηλεκτρικών ειδών ηλεκτρικής ενέργειας που σχετίζεται με τη βιομηχανία 4C. Η συχνότητα εμφάνισής της είναι ακόμη μεγαλύτερη από εκείνη των αρχικών ηλεκτρονικών ισχύος. Ορισμένοι ξένοι κατασκευαστές συχνά αποκαλούνται εμπειρογνώμονες διαχείρισης ενέργειας. Στην πραγματικότητα, δεν υπάρχει καμία αντίφαση από αυτή την άποψη, επειδή η διαχείριση ισχύος είναι απλώς μια νέα διατύπωση σε ορισμένους τομείς στο τρέχον στάδιο της ανάπτυξης ηλεκτρονικών ισχύος. Σε σύγκριση με τα ηλεκτρονικά ισχύος, η διαχείριση ισχύος δίνει έμφαση στη διαχείριση &." Τονίζει τη λειτουργία του ελέγχου αυτού του στοιχείου. Η λέξη Ισχύς μπορεί να σημαίνει δύναμη, ηλεκτρισμό ή ισχύ. Η διαχείριση μπορεί επίσης να γίνει κατανοητή ως διαχείριση ή επεξεργασία. Επομένως, μπορεί να υπάρχουν πολλά είδη κινεζικών μεταφράσεων. Ωστόσο, οι τέσσερις κινεζικοί χαρακτήρες για διαχείριση ενέργειας έχουν εμφανιστεί πολλές φορές στην Κίνα, κάτι 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. Πρέπει να έχουμε μια βαθύτερη κατανόηση της εμφάνισης αυτών των νέων όρων από τεχνική άποψη. Power Conversion (Power Conversion) ήταν σχεδόν συνώνυμο με τα ηλεκτρονικά ισχύος. Ένα ξένο περιοδικό άλλαξε κάποτε τον τίτλο της Power Electronics σε Power Conversion and Intelligent Motion (PCIM). Όμως, η μετατροπή ισχύος δεν μπορεί&# 39 να περιλαμβάνει τη διαχείριση ισχύος στα ηλεκτρονικά ισχύος. Όπως η ρύθμιση συντελεστή ισχύος * και ο ρυθμιστής χαμηλής εγκατάλειψης (LDO) και ούτω καθεξής. Το LDO χρησιμοποιείται ευρέως στην τροφοδοσία υπολογιστή ως ρύθμιση και σταθεροποίηση τάσης μικρής εμβέλειας. Είναι ένα IC και περιλαμβάνει επίσης συσκευές ισχύος. Για παράδειγμα, σε μια τροφοδοσία 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 του συνδυασμού συσκευών IC και τροφοδοσίας. Την άνοιξη, στην πρώτη συνάντηση και έκθεση της PCIM&# 39 που πραγματοποιήθηκε στην Κίνα, παρουσίασα κάποτε μια έκθεση για το DirectFET εξ ονόματος ενός συναδέλφου της IR. Αυτό είναι ένα νέο καυτό σημείο για το IR. Θα ήθελα να κάνω μια σύντομη εισαγωγή σε αυτήν τη συσκευή εδώ. Όπως γνωρίζετε όλοι, υπάρχουν ήδη πολλές συσκευές τροφοδοσίας που χρησιμοποιούν επιφανειακή βάση. Αλλά αυτές οι φόρμες συσκευασίας ακολουθούν γενικά την αρχική συσκευασία ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Επομένως, από την άποψη της απαγωγής θερμότητας, δεν είναι απαραίτητα το πιο κατάλληλο για συσκευές ισχύος. Το DirectFET είναι η πρώτη φορά που η διπλή όψη θερμότητας των συσκευών ισχύος εισήχθη σε επιφανειακές συσκευές. Το μέγεθος του DirectFET είναι ισοδύναμο με την θήκη SO-8, αλλά η αντίσταση της ίδιας της θήκης είναι μόνο 0,1 milliohms, ενώ το SO-8 είναι 1,5 milliohms. Επομένως, η τρέχουσα πυκνότητα της συσκευής διπλασιάζεται και η περιοχή της πλακέτας κυκλώματος μειώνεται κατά 50% σε σύγκριση με το αρχικό περίβλημα SO-8. Ένας σύγχρονος μετατροπέας buck που αποτελείται από ένα ζευγάρι DirectFETs (έλεγχος FET και σύγχρονος FET) μπορεί να παρέχει 30 αμπέρ ρεύματος στα 1,3 βολτ. Το προκύπτον σύστημα ισχύος πληροί τις απαιτήσεις διαχείρισης ισχύος 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 μέρη εξόδου προς τα έξω, θα συγκολληθούν απευθείας στην πλακέτα κυκλώματος. Η άλλη πλευρά είναι ένα χαλκό κάλυμμα, το οποίο είναι η αποστράγγιση και η άλλη πλευρά που μπορεί να διαλύσει τη θερμότητα. Το σχήμα 2 δείχνει μια όψη σε τομή του DirectFET, έτσι ώστε να μπορείτε να κατανοήσετε τη δομή του με μεγαλύτερη σαφήνεια. Για όσους είναι συνηθισμένοι σε συσκευές υψηλής ισχύος, θα αισθάνεται πολύ νέο: Το DirectFET έχει μέγεθος μόνο 5x6.35x0.7mm. Αυτή η συσκευή θα χρησιμοποιηθεί σε φορητούς υπολογιστές προηγμένης τεχνολογίας, μονάδες διαμόρφωσης τάσης διακομιστών, σταθμών εργασίας και κεντρικών υπολογιστών και προηγμένων συστημάτων επικοινωνίας και δεδομένων. Θα ήθελα να παρουσιάσω εν συντομία τον συνδυασμό IC και συσκευών τροφοδοσίας σε μονάδες τροφοδοσίας στο τέλος αυτού του άρθρου. Μπορούμε να πούμε ότι αυτός είναι ένας συνδυασμός μικροηλεκτρονικής και ηλεκτρονικών ισχύος για υψηλότερη ισχύ. Όλοι είναι εξοικειωμένοι με το IPM, το IGBT module με ευφυΐα που χρησιμοποιείται συνήθως στα κλιματιστικά. Είναι στην πραγματικότητα μια μονάδα IGBT με IC προγράμματος οδήγησης. Επί του παρόντος, οι ενημερωμένες ενότητες αναδύονται το ένα μετά το άλλο, σχηματίζοντας μια μεγάλη οικογένεια σύμφωνα με διαφορετικές ανάγκες. Για παράδειγμα, το PI-IPM αναφέρεται σε προγραμματιζόμενο και μονωμένο IPM. Το DSP χρησιμοποιείται σε αυτήν την ενότητα και μπορεί να γραφτεί λογισμικό. Θα δώσω μια ειδική εισαγωγή σε αυτήν τη μεγάλη οικογένεια στο μέλλον.