Vermogenselektronica en energiebeheer

Vermogenselektronica ontstond in de jaren 70. Voordien noemde men het variabele stroomtechnologie of stroomconversietechnologie. Het is ontwikkeld vanuit de rectificatietechnologie in de jaren 1940 en 1950. Vroeg in deze industrie zijn er Xi' een Rectifier Research Institute, grote gelijkrichterfabrieken in het hele land, de International Rectifier Company in de Verenigde Staten, enzovoort. De voorloper van Xi'een Rectifier Research Institute, het Semiconductor Research Laboratory van het Electrical Equipment Research Institute van het Ministerie van Machinery, is de eerste eenheid die zich bezighoudt met vermogenshalfgeleiders in China. The International Rectifier Company, opgericht in 1947, wordt ook beschouwd als het oudste halfgeleiderbedrijf in de Verenigde Staten. Wanneer de thyristor zich ontwikkelt tot een grote familie, wanneer sommige apparaten met een korte uitschakeltijd of gemakkelijk uit te schakelen geleidelijk worden ontwikkeld, stijgt de omvormertoepassing geleidelijk naar de dominante toepassing. Op dat moment stelde de academische gemeenschap voor dat er een nieuwe discipline moest komen om deze ontwikkeling te classificeren. Er is dus vermogenselektronica ten opzichte van informatie-elektronica. De eerste houdt zich bezig met informatie en de tweede met macht. Meer automatische regeltheorie en nieuwe elektronische technologie zijn ook in dit onderwerp geïntroduceerd. In die tijd was de toepassingsrichting gericht op industriële toepassingen, voertuigweerstand en voedingssystemen, dus mensen maken zich het meest zorgen over de ontwikkeling van krachtige richting. Hoewel bidirectionele thyristors bijvoorbeeld op grote schaal zijn gebruikt in huishoudelijke apparaten, heeft China de ontwikkeling van bidirectionele thyristors in de jaren zeventig nog steeds geblokkeerd in de richting van industriële toepassingen. Daarna ontwikkelde het zich niet tot een bidirectionele thyristor voor huishoudelijke apparaten. Op het gebied van high-power halfgeleiders is de kloof tussen China en het buitenland niet erg groot geweest. Vanwege de enorme infrastructuurbehoeften van China', in vergelijking met het buitenland, worden halfgeleiderapparaten met hoog vermogen in dit stadium meer gebruikt. De afgelopen jaren zijn er enkele grote projecten gestart, waardoor de kloof met het buitenland verder is verkleind. Dit is een aspect van de ontwikkeling van vermogenselektronica. Het kan ook een belangrijk aspect zijn waar de Power Electronics Society in mijn land altijd belang aan heeft gehecht. Na de opkomst van apparaten van het MOS-type in het begin van de jaren tachtig, heeft vermogenselektronica, na meer dan tien jaar ontwikkeling, meer andere gebieden bestreken, zoals de 4C-industrie (communicatie, computer, elektrische apparaten voor consumenten, auto's). Op dit moment legt de vooruitgang van zijn technologie minder de nadruk op de omvang van het vermogen, maar is het erop gericht deze industrieën te voorzien van efficiëntere, kleine en lichte stroombronnen. Als we zeggen dat elektronica met hoog vermogen het uitvoeringssysteem benadrukt, legt elektronica met laag vermogen de nadruk op voeding. Als micro-elektronica wordt vergeleken met de hersenen, benadrukken de grote vermogenselektronica de rol van handen en voeten, terwijl de kleine vermogenselektronica de rol van het hart benadrukt. De Power Supply Society van ons land zal uiteraard meer aandacht besteden aan de rol van deze laatste. Maar beide behoren tot vermogenselektronica. Ik geloof dat beide samenlevingen zich in twee opzichten zullen bekommeren om de ontwikkeling van vermogenselektronica. Samengevat is het de twintigjarige ontwikkeling van verschillende thyristors die een solide basis hebben gelegd voor de ontwikkeling van vermogenselektronica in de industrie, aandrijvingen en vermogenssystemen. Zo ontstaat vermogenselektronica. Daarna hebben verschillende apparaten van het MOS-type twee decennia ontwikkeling doorgemaakt, wat ook een solide basis heeft gelegd voor de ontwikkeling van de 4C-industrie. Maak van de vermogenselektronica-technologie een grote stap voorwaarts. Door de verdere integratie van micro-elektronica en vermogenselektronica nemen vermogenshalfgeleiderapparaten momenteel de derde stap, die zich kan manifesteren in de volgende drie aspecten: 1) De chipproductie van nieuwe vermogenshalfgeleiderapparaten maakt in toenemende mate gebruik van geïntegreerde circuitchips. Technologie, met andere woorden, vermogenshalfgeleiderapparaten gebruiken submicrontechnologie en ontwikkelen zich in de richting van diepe submicron. Het concept dat vermogenshalfgeleiderapparaten slechts een technologie op laag niveau zijn, moet nu worden veranderd. Natuurlijk maakte de fabricage van vermogenshalfgeleiders niet gebruik van de meest geavanceerde IC-procestechnologie van het jaar, maar deze verschillen maakten het mogelijk om goedkopere apparatuur te gebruiken, waardoor de fabricagekosten werden verlaagd, wat erg belangrijk is voor de ontwikkeling van vermogenshalfgeleiderinrichtingen. 2) Niet alleen chiptechnologie, maar ook de verpakkingstechnologie voor halfgeleiderapparaten komt dichter bij geïntegreerde schakelingen. In de afgelopen jaren waren de hotspots voor het verpakken van geïntegreerde schakelingen het gebruik van BGA (Ball Grid Array) en MCM (Multi-Chip Module) -technologieën, die geleidelijk de verpakkingsmethoden zijn geworden die worden toegepast door nieuwe vermogenshalfgeleiderapparaten. Bijvoorbeeld, IR's FlipFET en iPOWIR gebruiken beide BGA-technologie, en iPOWIR is ook de meest typische MCM-technologie. Natuurlijk stellen vermogenshalfgeleiderinrichtingen hogere eisen aan warmteafvoer dan geïntegreerde schakelingen. De dubbelzijdige warmteafvoer die in het verleden gebruikelijk was in thyristorverpakkingen, wordt nu voor het eerst gebruikt in MOS-apparaten. DirectFET is daar een voorbeeld van. Wat DirectFET betreft, zal dit artikel een korte introductie geven. 3) Een nieuwe trend is dat vermogenshalfgeleiders en geïntegreerde schakelingen vaak in dezelfde chip of hetzelfde pakket worden gecombineerd. Met andere woorden, het meer functionele besturingsgedeelte en het vermogensgedeelte, of beveiligingscircuit, worden gecombineerd in één apparaat. In het verleden verwijzen de vermogens-geïntegreerde circuits waar mensen naar verwijzen voornamelijk naar hoogspanningsaandrijfcircuits, dat wil zeggen geïntegreerde circuits die worden gebruikt om MOSFET's of IGBT's met een hoger voltage aan te sturen. Op dit moment is er echter een klasse van geïntegreerde schakelingen en gerelateerde stroomapparatuur geproduceerd, genaamd energiebeheer. De spanning is misschien niet hoog, maar de regelfunctie is aanzienlijk verbeterd. De meest typische zijn sommige apparaten in DC-DC-toepassingen. Daarom heeft het concept dat power devices alleen verwijzen naar discrete devices een fundamentele verandering ondergaan. Geavanceerde apparaten met betrekking tot IC of met speciale functies geproduceerd door IR hebben bijvoorbeeld conventionele discrete apparaten overtroffen en ontwikkelen zich verder in de richting van productie"-systemen." Er is een gezegde dat de productie van geavanceerde apparaten zoals systemen en IC's in de toekomst de steunpilaar zal worden. In een dergelijk ontwikkeltraject komt de term Power Management steeds vaker voor. De formulering van energiebeheer in het buitenland is behoorlijk populair geworden, vooral in de vermogenselektronica-industrie die verband houdt met de 4C-industrie. De frequentie van zijn uiterlijk is zelfs hoger dan die van de originele vermogenselektronica. Sommige buitenlandse fabrikanten noemen zichzelf vaak experts op het gebied van energiebeheer. In feite is er in dit opzicht geen tegenstrijdigheid, omdat energiebeheer slechts een nieuwe formulering is op bepaalde gebieden in de huidige fase van de ontwikkeling van vermogenselektronica. Vergeleken met vermogenselektronica legt energiebeheer de nadruk op"beheer." Benadrukt de functie van het beheersen van dit aspect. Het woord macht kan macht, elektriciteit of macht betekenen. Beheer kan ook worden opgevat als beheer of verwerking. Daarom kunnen er veel soorten Chinese vertalingen zijn. De vier Chinese karakters voor energiebeheer zijn echter vele malen in China verschenen, wat de standaardtaal wat problemen kan geven. Veel buitenlandse termen hebben echter hun eigen ontwikkelingsproces en er verschijnen vaak nieuwe termen. We zouden de opkomst van deze nieuwe termen vanuit een technisch perspectief beter moeten begrijpen. Power Conversion (Power Conversion) was vroeger bijna synoniem met vermogenselektronica. Een buitenlands tijdschrift veranderde ooit de titel van Power Electronics in Power Conversion and Intelligent Motion (PCIM). Maar stroomconversie kan' niet allemaal energiebeheer in vermogenselektronica omvatten. Zoals aanpassing van de arbeidsfactor* en low dropout-regelaar (LDO) enzovoort. LDO wordt veel gebruikt in computervoeding als een spanningsaanpassing en stabilisatie van een klein bereik. Het is een IC en bevat ook stroomapparaten. In een AC-DC-voeding kan er bijvoorbeeld een voedingsapparaat zijn met PWM en nulspanning inschakelen, wat ook een IC is. Het heet Integrated Switch in IR. Dit zijn typische voorbeelden van de combinatie van IC en power devices. Dit voorjaar, tijdens de eerste rapportbijeenkomst en tentoonstelling van PCIM' in China, heb ik namens een IR-collega ooit een rapport over DirectFET gepresenteerd. Dit is een nieuwe hotspot voor IR. Ik wil hier graag een korte introductie geven over dit apparaat. Zoals jullie allemaal weten, zijn er al veel stroomapparaten die gebruik maken van oppervlaktemontage. Maar die verpakkingsvormen volgen over het algemeen de originele verpakking van geïntegreerde schakelingen. Daarom is het vanuit het oogpunt van warmteafvoer niet noodzakelijk het meest geschikt voor elektrische apparaten. DirectFET is de eerste keer dat de dubbelzijdige warmteafvoer van stroomapparaten is geïntroduceerd in apparaten voor oppervlaktemontage. De grootte van de DirectFET is gelijk aan de SO-8-behuizing, maar de weerstand van de behuizing zelf is slechts 0,1 milliohm, terwijl de SO-8 1,5 milliohm is. Daarom wordt de stroomdichtheid van het apparaat verdubbeld en is het oppervlak van de printplaat met 50% verminderd in vergelijking met de originele SO-8-behuizing. Een synchrone buck-converter bestaande uit een paar DirectFET's (controle-FET en synchrone FET) kan 30 ampère stroom leveren bij 1,3 volt. Het resulterende energiesysteem voldoet aan de energiebeheervereisten van Intel's nieuwste 64-bits processor Itanium2. Raadpleeg afbeelding 1 voor het uiterlijk van DirectFET. De afbeelding toont de twee zijden van het apparaat, de ene kant kan een poort en twee source lead-out-onderdelen zien, ze worden direct op de printplaat gesoldeerd. De andere kant is een koperen deksel, dat is de afvoer en de andere kant die warmte kan afvoeren. Afbeelding 2 toont een dwarsdoorsnede van DirectFET, zodat u de structuur ervan beter kunt begrijpen. Voor degenen die gewend zijn aan krachtige apparaten, zal het erg nieuw aanvoelen: DirectFET is slechts 5x6,35x0,7 mm groot. Dit apparaat zal worden gebruikt in high-end notebooks, spanningsmodulatiemodules van servers, werkstations en hosts, en geavanceerde communicatie- en datasystemen. De combinatie van IC en power devices in powermodules wil ik aan het eind van dit artikel kort introduceren. Men kan stellen dat dit een combinatie is van micro-elektronica en vermogenselektronica voor een hoger vermogen. Iedereen kent IPM, de IGBT-module met intelligentie die veel wordt gebruikt in airconditioners. Het is eigenlijk een IGBT-module met een driver-IC. De momenteel bijgewerkte modules verschijnen de een na de ander en vormen een grote familie op basis van verschillende behoeften. PI-IPM verwijst bijvoorbeeld naar programmeerbare en geïsoleerde IPM. In deze module wordt DSP gebruikt en kan er software worden geschreven. Ik zal in de toekomst een speciale introductie geven aan deze grote familie.