Jaudas elektronika un enerģijas pārvaldība

Spēka elektronika tika izveidota 1970. gados. Pirms tam cilvēki to sauca par mainīgas strāvas tehnoloģiju vai enerģijas pārveidošanas tehnoloģiju. Tas ir izstrādāts no labošanas tehnoloģijas 1940. un 1950. gados. Šīs nozares sākumā darbojas Xi' Rectifier Research Institute, lielākās taisngriežu rūpnīcas visā valstī, International Rectifier Company Amerikas Savienotajās Valstīs un tā tālāk. Xi&# 39 priekštecis; Mašīnu ministrijas Elektroiekārtu izpētes institūta Pusvadītāju pētījumu laboratorijas Rectifier Research Institute ir agrākā vienība, kas Ķīnā nodarbojas ar strāvas pusvadītājiem. Starptautiskais taisngriežu uzņēmums, kas dibināts 1947. gadā, tiek uzskatīts arī par agrāko pusvadītāju uzņēmumu ASV. Kad tiristors kļūst par lielu ģimeni, kad pakāpeniski tiek izstrādātas dažas ierīces ar īsu izslēgšanās laiku vai viegli izslēdzamas, invertora lietojumprogramma pakāpeniski palielinās līdz dominējošajai lietojumprogrammai. Šajā laikā akadēmiskā sabiedrība ierosināja ieviest jaunu disciplīnu, lai klasificētu šo attīstību. Tātad pastāv enerģijas elektronika attiecībā pret informācijas elektroniku. Pirmais nodarbojas ar informāciju, bet otrais - ar varu. Šajā priekšmetā ir ieviesta arī automātiskākas vadības teorija un jauna elektroniskā tehnoloģija. Tajā laikā lietojuma virziens bija vērsts uz rūpnieciskām vajadzībām, transportlīdzekļu pretestības un spēka sistēmām, tāpēc cilvēkus visvairāk uztrauc lieljaudas virziena attīstība. Piemēram, kaut arī divvirzienu tiristori ir plaši izmantoti sadzīves tehnikā, Ķīna 70. gados joprojām bloķēja divvirzienu tiristoru attīstību rūpnieciskās izmantošanas virzienā. Pēc tam tas neattīstījās par divvirzienu tiristoru sadzīves tehnikai. Runājot par lieljaudas pusvadītājiem, plaisa starp Ķīnu un ārvalstīm nav bijusi ļoti liela. Ķīnas' milzīgo infrastruktūras vajadzību dēļ salīdzinājumā ar ārvalstīm lieljaudas pusvadītāju ierīcēm šajā posmā ir vairāk izmantojumu. Pēdējos gados ir ieviesti daži lieli projekti, kas vēl vairāk saīsina plaisu ar ārvalstīm. Tas ir spēka elektronikas attīstības aspekts. Tas var būt arī būtisks aspekts, kam manas valsts Power Electronics Society vienmēr ir pievērsusi nozīmi. Pēc MOS tipa ierīču pieauguma 80. gadu sākumā pēc vairāk nekā desmit gadu attīstības jaudas elektronika ir aptvērusi vēl citas jomas, piemēram, 4C nozari (sakari, datori, plaša patēriņa elektroierīces, automašīnas automašīnām). Pašlaik tās tehnoloģiju attīstība mazāk uzsver jaudas lielumu, bet koncentrējas uz šo nozaru nodrošināšanu ar efektīvākiem, maziem un viegliem enerģijas avotiem. Ja mēs sakām, ka lieljaudas jaudas elektronika uzsver izpildes sistēmu, mazjaudas elektronika uzsver barošanu. Ja mikroelektroniku pielīdzina smadzenēm, lielā spēka elektronika uzsver roku un kāju lomu, bet mazā spēka elektronika - sirds lomu. Mūsu valsts elektroapgādes sabiedrība, protams, pievērsīs lielāku uzmanību pēdējās lomai. Bet abi pieder spēka elektronikai. Es uzskatu, ka abām sabiedrībām rūp elektroenerģijas elektronikas attīstība divos aspektos. Apkopojot, tā ir dažādu tiristoru divdesmit gadu attīstība, kas ir ielikusi stabilu pamatu spēka elektronikas attīstībai rūpniecībā, braukšanas un enerģijas sistēmās. Tādējādi tiek veidota jaudas elektronika. Pēc tam dažādas MOS tipa ierīces ir piedzīvojušas divus gadu desmitus ilgu attīstību, kas arī ielika stabilu pamatu 4C nozares attīstībai. Padariet spēka elektronikas tehnoloģiju par lielu soli uz priekšu. Pašlaik mikroelektronikas un spēka elektronikas tālākas integrācijas dēļ jaudas pusvadītāju ierīces sper trešo soli, kas var izpausties šādos trīs aspektos: 1) jaunu jaudas pusvadītāju ierīču mikroshēmu ražošanā arvien vairāk izmanto integrētās shēmas mikroshēmas. Tehnoloģija, citiem vārdiem sakot, jaudas pusvadītāju ierīces pārņem mikronu tehnoloģiju un attīstās dziļo apakšmikronu virzienā. Tagad būtu jāmaina koncepcija, ka pusvadītāju ierīces ir tikai zema līmeņa tehnoloģijas. Protams, jaudas pusvadītāju ierīču ražošanā netika izmantota gada vismodernākā IC procesu tehnoloģija, taču šīs atšķirības ļāva izmantot lētākas iekārtas, tādējādi samazinot ražošanas izmaksas, kas ir ļoti svarīgi jaudas pusvadītāju ierīču attīstībai. 2) Ne tikai mikroshēmu tehnoloģija, bet arī jaudas pusvadītāju ierīču iepakošanas tehnoloģija tuvojas integrētajām shēmām. Dažos pēdējos gados integrētās shēmas iepakojuma karstie punkti ir BGA (Ball Grid Array) un MCM (Multi-Chip Module) tehnoloģiju izmantošana, kas pakāpeniski ir kļuvušas par jaunu jaudīgu pusvadītāju ierīču pieņemtajām iesaiņošanas metodēm. Piemēram, gan IR' s FlipFET, gan iPOWIR izmanto BGA tehnoloģiju, un iPOWIR ir arī tipiskākā MCM tehnoloģija. Protams, jaudas pusvadītāju ierīcēm ir augstākas prasības siltuma izkliedēšanai nekā integrālajām shēmām. Tiristoru iepakojumos agrāk izplatītā divpusējā siltuma izkliedēšana tagad MOS ierīcēs tiek izmantota pirmo reizi, un DirectFET ir viens no piemēriem. Attiecībā uz DirectFET šajā rakstā tiks sniegts īss ievads. 3) Jauna tendence ir tāda, ka jaudas pusvadītāju ierīces un integrētās shēmas bieži tiek apvienotas vienā mikroshēmā vai vienā paketē. Citiem vārdiem sakot, funkcionālāka vadības daļa un barošanas daļa jeb aizsardzības ķēde ir apvienota vienā ierīcē. Agrāk jaudas integrētās shēmas, uz kurām cilvēki atsaucas, galvenokārt attiecas uz augstsprieguma piedziņas shēmām, tas ir, integrālajām shēmām, ko izmanto, lai vadītu augstāka sprieguma MOSFET vai IGBT. Tomēr šobrīd ir ražota integrēto shēmu un saistīto barošanas ierīču klase, ko sauc par enerģijas pārvaldību. Spriegums var nebūt augsts, bet vadības funkcija ir ievērojami uzlabota. Tipiskākās ir dažas ierīces DC-DC lietojumprogrammās. Tāpēc jēdziens, ka strāvas ierīces attiecas tikai uz diskrētām ierīcēm, ir būtiski mainījies. Piemēram, progresīvas ierīces, kas saistītas ar IC vai kurām ir īpašas IR radītās funkcijas, ir pārspējušas parastās diskrētās ierīces un turpina attīstīties ražošanas&sistēmu virzienā." Ir teiciens, ka tādu modernu ierīču kā sistēmu un IC ražošana nākotnē kļūs par galveno. Šādā attīstības procesā termins Power Management ir kļuvis arvien izplatītāks. Strāvas pārvaldības formulēšana ārvalstīs ir kļuvusi diezgan populāra, īpaši jaudas elektronikas nozarē, kas saistīta ar 4C nozari. Tā parādīšanās biežums ir pat lielāks nekā oriģinālajai spēka elektronikai. Daži ārvalstu ražotāji bieži sevi sauc par enerģijas pārvaldības ekspertiem. Patiesībā šajā ziņā nav pretrunu, jo enerģijas pārvaldība ir tikai jauns formulējums noteiktās jomās pašreizējā enerģijas elektronikas attīstības posmā. Salīdzinot ar jaudas elektroniku, enerģijas pārvaldība uzsver&pārvaldību." Uzsver šī aspekta kontroles funkciju. Vārds Jauda var nozīmēt jaudu, elektrību vai spēku. Pārvaldību var saprast arī kā pārvaldību vai apstrādi. Tāpēc tulkojumi ķīniešu valodā var būt dažādi. Tomēr četras ķīniešu rakstzīmes enerģijas pārvaldībai Ķīnā ir parādījušās daudzas reizes, kas standarta valodai var radīt dažas problēmas. Tomēr daudziem ārvalstu terminiem ir savs attīstības process, un bieži parādās daudz jaunu terminu. Mums vajadzētu dziļāk izprast šo jauno terminu parādīšanos no tehniskā viedokļa. Jaudas pārveidošana (enerģijas pārveidošana) agrāk bija gandrīz sinonīms spēka elektronikai. Kāds ārzemju žurnāls reiz mainīja Power Electronics nosaukumu uz Power Conversion un Intelligent Motion (PCIM). Bet enerģijas pārveidošana' ne visi var ietvert enerģijas pārvaldību enerģijas elektronikā. Piemēram, jaudas koeficienta pielāgošana * un zema izkrišanas regulators (LDO) un tā tālāk. LDO tiek plaši izmantots datoru barošanā kā maza diapazona sprieguma pielāgošana un stabilizācija. Tas ir IC, un tajā ietilpst arī barošanas ierīces. Piemēram, maiņstrāvas-līdzstrāvas barošanas avotā var būt barošanas ierīce ar PWM un nulles sprieguma ieslēgšanu, kas arī ir IC. To sauc par integrēto slēdzi IR. Šie ir tipiski IC un barošanas ierīču kombinācijas piemēri. Šopavasar PCIM' pirmajā ziņojuma sanāksmē un izstādē, kas notika Ķīnā, es reiz IR kolēģa vārdā iepazīstināju ar ziņojumu par DirectFET. Šī ir jauna karstā vieta IR. Es gribētu šeit īsi iepazīties ar šo ierīci. Kā jūs visi zināt, jau ir daudz barošanas ierīču, kas izmanto virsmas stiprinājumu. Bet šīs iepakojuma formas parasti atbilst oriģinālajam integrālo shēmu iepakojumam. Tāpēc no siltuma izkliedes viedokļa tas ne vienmēr ir vispiemērotākais strāvas ierīcēm. DirectFET ir pirmā reize, kad virszemes montāžas ierīcēs tiek ieviesta strāvas ierīču abpusēja siltuma izkliedēšana. DirectFET izmērs ir līdzvērtīgs SO-8 gadījumam, bet pašas lietas pretestība ir tikai 0,1 miliomi, savukārt SO-8 ir 1,5 miliomi. Tāpēc ierīces strāvas blīvums tiek dubultots, un shēmas plates platība tiek samazināta par 50%, salīdzinot ar sākotnējo SO-8 korpusu. Sinhronais buck pārveidotājs, kas sastāv no DirectFET pāra (vadības FET un sinhronā FET), var nodrošināt 30 ampērus strāvas ar 1,3 voltiem. Iegūtā enerģijas sistēma atbilst Intel jaunākā 64 bitu procesora Itanium2 enerģijas pārvaldības prasībām. DirectFET izskatu skatiet 1. attēlā. Attēlā redzamas ierīces abas puses, vienā pusē var redzēt vārtus un divas avota izvades daļas, tās tiks tieši pielodētas uz shēmas plates. Otra puse ir vara pārsegs, kas ir notekas un otra puse, kas var izkliedēt siltumu. 2. attēlā parādīts DirectFET šķērsgriezuma skats, lai jūs varētu skaidrāk saprast tā struktūru. Tiem, kas pieraduši pie lieljaudas ierīcēm, tas jutīsies ļoti jauns: DirectFET ir tikai 5x6,35x0,7 mm liels. Šī ierīce tiks izmantota augstas klases piezīmjdatoros, serveru, darbstaciju un resursdatoru sprieguma modulācijas moduļos, kā arī uzlabotās sakaru un datu sistēmās. Šī raksta beigās es vēlētos īsi iepazīstināt ar IC un barošanas ierīču kombināciju barošanas moduļos. Var teikt, ka šī ir mikroelektronikas un jaudas elektronikas kombinācija lielākai jaudai. Ikviens ir iepazinies ar IPM - IGBT moduli ar inteliģenci, ko parasti izmanto gaisa kondicionieros. Tas faktiski ir IGBT modulis ar draivera IC. Pašlaik atjauninātie moduļi parādās viens pēc otra, veidojot lielu ģimeni atbilstoši dažādām vajadzībām. Piemēram, PI-IPM attiecas uz programmējamu un izolētu IPM. Šajā modulī tiek izmantots DSP, un programmatūru var rakstīt. Turpmāk sniegšu īpašu ievadu šai lielajai ģimenei.