Toiteelektroonika ja toitehaldus

Jõuelektroonika tekkis 1970ndatel. Enne seda nimetasid inimesed seda muutuva voolu tehnoloogiaks või võimsuse muundamise tehnoloogiaks. See on välja töötatud 1940. ja 1950. aastate rektifitseerimistehnoloogiast. Selle tööstusharu alguses on Xi' alaldi uurimisinstituut, suured alalditehased üle riigi, rahvusvaheline alaldi ettevõte USA -s jne. Masinate ministeeriumi elektriseadmete uurimisinstituudi pooljuhtide uurimislabor, Xi [GG #39] eelkäija, alaldite uurimisinstituut, on pooljuhtide uurimislabor Hiinas. Rahvusvahelist alaldi ettevõtet, mis loodi 1947. aastal, peetakse ka Ameerika Ühendriikide esimeseks pooljuhtfirmaks. Kui türistor areneb suureks perekonnaks, kui järk-järgult arendatakse välja mõned lühikese väljalülitusajaga või lihtsalt väljalülitatavad seadmed, tõuseb inverterrakendus järk-järgult domineeriva rakenduseni. Sel ajal tegi akadeemiline kogukond ettepaneku, et selle arengu klassifitseerimiseks peaks olema uus distsipliin. Nii et teabeelektroonika suhtes on jõuelektroonika. Esimene tegeleb teabega ja teine ​​võimuga. Sellesse teemasse on sisse viidud ka rohkem automaatjuhtimise teooriat ja uut elektroonilist tehnoloogiat. Sel ajal keskendus rakendussuund tööstuslikele rakendustele, sõidukite tõmbe- ja toitesüsteemidele, nii et inimesed on kõige rohkem mures suure võimsusega suuna arengu pärast. Näiteks, kuigi kahesuunalisi türistoreid on kodumasinates laialdaselt kasutatud, lukustas Hiina 1970. aastatel siiski kahesuunaliste türistoride arendamise tööstuslike rakenduste suunas. Pärast seda ei arenenud see kodumasinate kahesuunaliseks türistoriks. Suure võimsusega pooljuhtide osas pole lõhe Hiina ja välisriikide vahel olnud väga suur. Võrreldes välisriikidega on Hiina&tohutute infrastruktuurivajaduste tõttu suure võimsusega pooljuhtseadmetel praegu rohkem kasutusvõimalusi. Viimastel aastatel on kasutusele võetud mõned suuremad projektid, mis on veelgi vähendanud lõhet välisriikidega. See on jõuelektroonika arengu aspekt. See võib olla ka oluline aspekt, mida minu kodumaa Power Electronics Society on alati tähtsaks pidanud. Pärast MOS-tüüpi seadmete tõusu 1980. aastate alguses, pärast enam kui kümneaastast arengut, on jõuelektroonika katnud rohkem teisi valdkondi, näiteks 4C tööstus (side, arvuti, tarbeelektriseadmed, sõiduautod). Praegu rõhutab selle tehnoloogia edasiarendamine vähem võimsuse suurust, kuid keskendub nende tööstusharude varustamisele tõhusamate, väikeste ja kergete energiaallikatega. Kui me ütleme, et suure võimsusega elektroonika rõhutab täitmissüsteemi, siis väikese võimsusega elektroonika rõhutab toiteallikat. Kui võrrelda mikroelektroonikat ajuga, rõhutab suure võimsusega elektroonika käte ja jalgade rolli, väikese võimsusega elektroonika aga südame rolli. Meie riigi elektrivarustusselts pöörab loomulikult viimase rollile rohkem tähelepanu. Kuid mõlemad kuuluvad jõuelektroonikasse. Usun, et mõlemad ühiskonnad hoolivad jõuelektroonika arendamisest kahes aspektis. Kokkuvõtteks võib öelda, et just erinevate türistoride kahekümneaastane areng on loonud tugeva aluse jõuelektroonika arendamiseks tööstuses, sõidu- ja toitesüsteemides. Nii moodustub jõuelektroonika. Pärast seda on erinevad MOS-tüüpi seadmed kogenud kahe aastakümne pikkust arengut, mis pani ka tugeva aluse 4C tööstuse arengule. Muutke jõuelektroonika tehnoloogia suureks sammuks edasi. Praegu on mikroelektroonika ja jõuelektroonika edasise integreerimise tõttu astumas jõupooljuhtseadmed kolmandat sammu, mis võib avalduda järgmises kolmes aspektis: 1) Uute võimsusega pooljuhtseadmete kiipide tootmisel kasutatakse üha enam integraallülitusi. Teisisõnu, tehnoloogia, pooljuhtseadmed võtavad kasutusele alammikronitehnoloogia ja arenevad sügava alammikroni suunas. Nüüd tuleks muuta kontseptsiooni, et võimsusega pooljuhtseadmed on vaid madala taseme tehnoloogia. Loomulikult ei kasutatud võimsuspooljuhtide tootmisel selle aasta kõige arenenumat IC -protsessitehnoloogiat, kuid need erinevused võimaldasid kasutada odavamaid seadmeid, vähendades seeläbi tootmiskulusid, mis on võimsate pooljuhtseadmete arendamisel väga oluline. 2) Integraallülitustele läheneb mitte ainult kiibitehnoloogia, vaid ka pooljuhtseadmete pakendamistehnoloogia. Viimastel aastatel on integraallülituste pakendamise kuumad kohad olnud BGA (Ball Grid Array) ja MCM (Multi-Chip Module) tehnoloogiate kasutamine, millest on järk-järgult saanud uute võimsusega pooljuhtimisseadmete pakendamismeetodid. Näiteks IR' s FlipFET ja iPOWIR kasutavad mõlemad BGA -tehnoloogiat ning iPOWIR on ka kõige tüüpilisem MCM -tehnoloogia. Muidugi on toitepooljuhtide seadmetel kõrgemad nõuded soojuse hajumisele kui integraallülitustele. Varem türistorpakendites levinud kahepoolset soojuse hajumist kasutatakse nüüd esimest korda MOS-seadmetes. DirectFET on selle näide. DirectFETi kohta tutvustatakse selles artiklis seda lühidalt. 3) Uus trend on see, et sageli on pooljuhtseadmed ja integraallülitused ühendatud samasse kiipi või samasse paketti. Teisisõnu, funktsionaalsem juhtimisosa ja toiteosa ehk kaitselülitus on ühendatud ühte seadmesse. Varem viitasid inimeste poolt viidatud toite integraallülitused peamiselt kõrgepinge ajamiahelatele, st integraallülitustele, mida kasutati kõrgepinge MOSFET-ide või IGBT-de juhtimiseks. Praegu on aga toodetud integraallülituste ja nendega seotud toiteallikate klassi, mida nimetatakse toitehalduseks. Pinge ei pruugi olla kõrge, kuid juhtimisfunktsioon on oluliselt täiustatud. Kõige tüüpilisemad on mõned seadmed DC-DC rakendustes. Seetõttu on põhimõte, et toiteseadmed viitavad ainult diskreetsetele seadmetele, põhjalikult muutunud. Näiteks täiustatud seadmed, mis on seotud IC -ga või IR -i poolt toodetud erifunktsioonidega, on ületanud tavapäraseid diskreetseid seadmeid ja arenevad edasi tootmissuundades." Vanasõna ütleb, et edasiste seadmete, näiteks süsteemide ja IC -de tootmine saab tulevikus alustalaks. Sellises arendusprotsessis on termin Power Management muutunud üha tavalisemaks. Energiahalduse sõnastamine välismaal on muutunud üsna populaarseks, eriti 4C tööstusega seotud jõuelektroonikatööstuses. Selle esinemissagedus on isegi suurem kui originaaljõuelektroonikal. Mõned välismaised tootjad nimetavad end sageli energiajuhtimise ekspertideks. Tegelikult pole selles osas vastuolu, sest toitehaldus on jõuelektroonika praeguses arenguetapis teatud valdkondades lihtsalt uus sõnastus. Võimsuselektroonikaga võrreldes rõhutab toitehaldus&juhtimist." Rõhutab selle aspekti kontrollimise funktsiooni. Sõna Võimsus võib tähendada võimsust, elektrit või võimsust. Juhtimist võib mõista ka kui juhtimist või töötlemist. Seetõttu võib hiina tõlkeid olla palju. Neli hiina tähemärki toitehalduse jaoks on aga Hiinas ilmunud mitu korda, mis võib tavakeelele pisut probleeme lisada. Paljudel välismaistel terminitel on aga oma arendusprotsess ja sageli ilmub palju uusi termineid. Me peaksime mõistma nende uute terminite tekkimist tehnilisest vaatenurgast sügavamalt. Võimsusmuundamine (Power Conversion) oli varem jõuelektroonika peaaegu sünonüüm. Üks välismaa ajakiri muutis kunagi Power Electronics tiitli Power Conversion and Intelligent Motion (PCIM) nimeks. Kuid võimsuse muundamine ei saa kõik hõlmata toiteelektroonika toitehaldust. Näiteks võimsusteguri reguleerimine* ja madala väljalangemise regulaator (LDO) jne. LDO -d kasutatakse laialdaselt arvuti toiteallikas väikese pinge reguleerimiseks ja stabiliseerimiseks. See on IC ja sisaldab ka toiteallikaid. Näiteks vahelduvvoolu-alalisvoolu toiteallikas võib olla PWM-i ja nullpinge sisselülitamisega toiteallikas, mis on samuti IC. Seda nimetatakse IR -s integreeritud lülitiks. Need on tüüpilised näited IC ja toitevahendite kombinatsioonist. Sel kevadel esitasin Hiinas toimunud PCIMi [39] esimesel aruandekoosolekul ja näitusel kord IR -kolleegi nimel aruande DirectFETi kohta. See on IR jaoks uus kuum koht. Tahaksin siin selle seadme lühitutvustuse teha. Nagu te kõik teate, on pinnakinnitust kasutavaid elektriseadmeid juba palju. Kuid need pakendivormid järgivad üldiselt integraallülituste originaalpakendit. Seetõttu ei ole see soojuseralduse seisukohast tingimata kõige sobivam elektriseadmete jaoks. DirectFET on esimene kord, kui toiteallikate kahepoolne soojuseraldus on pinnapealsetesse seadmetesse sisse viidud. DirectFET-i suurus on samaväärne SO-8 korpusega, kuid korpuse enda takistus on vaid 0,1 milliohmi, samas kui SO-8 on 1,5 milliohmi. Seetõttu kahekordistatakse seadme voolutihedust ja trükkplaadi pindala väheneb 50% võrreldes algse SO-8 korpusega. Paarist DirectFET -idest (juht -FET ja sünkroonne FET) koosnev sünkroon -buck -muundur suudab pakkuda 1,3 -voldist voolu 30 amprit. Saadud toitesüsteem vastab Inteli uusima 64-bitise protsessori Itanium2 toitehaldusnõuetele. DirectFET -i välimust vaadake jooniselt 1. Joonisel on kujutatud seadme kaks külge, ühel küljel on näha värav ja kaks allika väljatõmmatavat osa, need joodetakse otse trükkplaadile. Teine pool on vaskkate, mis on äravool ja teine ​​pool, mis võib soojust hajutada. Joonisel 2 on näidatud DirectFETi ristlõige, et saaksite selle struktuurist selgemalt aru. Neile, kes on suure võimsusega seadmetega harjunud, tundub see väga uus: DirectFET on vaid 5x6,35x0,7 mm suurune. Seda seadet kasutatakse tipptasemel sülearvutites, serverite, tööjaamade ja hostide pinge moduleerimise moodulites ning täiustatud side- ja andmesüsteemides. Tahaksin lühidalt tutvustada selle artikli lõpus IC -toiteallikate kombinatsiooni toite moodulites. Võib öelda, et see on mikroelektroonika ja jõuelektroonika kombinatsioon suurema võimsuse saavutamiseks. Kõik teavad IPM -i, IGBT -moodulit, mille intelligentsust kasutatakse tavaliselt kliimaseadmetes. See on tegelikult IGBT moodul draiveri IC -ga. Praegu uuendatavad moodulid kerkivad järjest esile, moodustades suure pere vastavalt erinevatele vajadustele. Näiteks viitab PI-IPM programmeeritavale ja isoleeritud IPM-ile. Selles moodulis kasutatakse DSP -d ja tarkvara saab kirjutada. Ma tutvustan seda suurt perekonda tulevikus.