Elettronica di potenza e gestione dell'alimentazione

L'elettronica di potenza è stata costituita negli anni '70. Prima di questo, la gente la chiamava tecnologia a corrente variabile o tecnologia di conversione dell'energia. È stato sviluppato dalla tecnologia di rettifica negli anni '40 e '50. All'inizio di questo settore, ci sono Xi'un Rectifier Research Institute, le principali fabbriche di raddrizzatori in tutto il paese, la International Rectifier Company negli Stati Uniti e così via. Il predecessore di Xi'un istituto di ricerca sui raddrizzatori, il laboratorio di ricerca sui semiconduttori dell'Istituto di ricerca sulle apparecchiature elettriche del Ministero delle macchine è la prima unità impegnata in semiconduttori di potenza in Cina. La International Rectifier Company, fondata nel 1947, è anche considerata la prima azienda di semiconduttori negli Stati Uniti. Quando il tiristore si sviluppa in una grande famiglia, quando si sviluppano gradualmente alcuni dispositivi con tempi di spegnimento brevi o facili da spegnere, l'applicazione dell'inverter diventa gradualmente l'applicazione dominante. In questo momento, la comunità accademica ha proposto che ci dovrebbe essere una nuova disciplina per classificare questo sviluppo. Quindi c'è l'elettronica di potenza relativa all'elettronica dell'informazione. Il primo si occupa di informazione e il secondo si occupa di potere. In questo argomento sono state introdotte anche una teoria del controllo più automatico e una nuova tecnologia elettronica. A quel tempo, la direzione dell'applicazione si concentrava sulle applicazioni industriali, sulla resistenza dei veicoli e sui sistemi di alimentazione, quindi le persone sono più preoccupate per lo sviluppo della direzione ad alta potenza. Ad esempio, sebbene i tiristori bidirezionali siano stati ampiamente utilizzati negli elettrodomestici, la Cina ha ancora bloccato lo sviluppo dei tiristori bidirezionali nella direzione delle applicazioni industriali negli anni '70. Successivamente, non si è sviluppato in un tiristore bidirezionale per elettrodomestici. In termini di semiconduttori ad alta potenza, il divario tra Cina e paesi esteri non è stato molto ampio. A causa delle enormi esigenze infrastrutturali della Cina, rispetto ai paesi stranieri, i dispositivi a semiconduttore ad alta potenza hanno più usi in questa fase. Negli ultimi anni sono stati introdotti alcuni importanti progetti, che hanno ulteriormente accorciato il divario con l'estero. Questo è un aspetto dello sviluppo dell'elettronica di potenza. Potrebbe anche essere un aspetto importante a cui la Power Electronics Society del mio paese ha sempre attribuito importanza. Dopo l'avvento dei dispositivi di tipo MOS nei primi anni '80, dopo più di dieci anni di sviluppo, l'elettronica di potenza ha coperto più altri campi, come l'industria 4C (comunicazione, computer, elettrodomestici, automobili). In questo momento, il progresso della sua tecnologia enfatizza meno la dimensione del potere, ma si concentra sulla fornitura a queste industrie di fonti di energia più efficienti, piccole e leggere. Se diciamo che l'elettronica di potenza ad alta potenza enfatizza il sistema di esecuzione, l'elettronica di potenza a bassa potenza enfatizza l'alimentazione. Se la microelettronica è paragonata al cervello, la grande elettronica di potenza enfatizza il ruolo di mani e piedi, mentre la piccola elettronica di potenza enfatizza il ruolo del cuore. La Power Supply Society del nostro Paese presterà naturalmente maggiore attenzione al ruolo di quest'ultima. Ma entrambi appartengono all'elettronica di potenza. Credo che entrambe le società si occuperanno dello sviluppo dell'elettronica di potenza in due aspetti. In sintesi, è lo sviluppo ventennale di vari tiristori, che ha gettato solide basi per lo sviluppo dell'elettronica di potenza nell'industria, nella guida e nei sistemi di alimentazione. Si forma così l'elettronica di potenza. Successivamente, vari dispositivi di tipo MOS hanno sperimentato due decenni di sviluppo, che hanno anche gettato solide basi per lo sviluppo dell'industria 4C. Fai della tecnologia dell'elettronica di potenza un grande passo avanti. Attualmente, a causa dell'ulteriore integrazione della microelettronica e dell'elettronica di potenza, i dispositivi a semiconduttore di potenza stanno compiendo il terzo passo, che può manifestarsi nei seguenti tre aspetti: 1) La produzione di nuovi dispositivi a semiconduttore di potenza utilizza sempre più circuiti integrati. La tecnologia, in altre parole, i dispositivi a semiconduttore di potenza stanno adottando la tecnologia sub-micron e si stanno sviluppando nella direzione del sub-micron profondo. Il concetto che i dispositivi a semiconduttore di potenza sono solo una tecnologia di basso livello dovrebbe ora essere cambiato. Naturalmente, la produzione di dispositivi a semiconduttore di potenza non ha utilizzato la tecnologia di processo IC più avanzata dell'anno, ma queste differenze hanno permesso di utilizzare apparecchiature più economiche, riducendo così i costi di produzione, che è molto importante per lo sviluppo di dispositivi a semiconduttore di potenza. 2) Non solo la tecnologia dei chip, ma anche la tecnologia di confezionamento dei dispositivi a semiconduttore di potenza si sta avvicinando ai circuiti integrati. Negli ultimi anni, i punti caldi per il confezionamento di circuiti integrati sono stati l'uso delle tecnologie BGA (Ball Grid Array) e MCM (Multi-Chip Module), che sono gradualmente diventate i metodi di confezionamento adottati dai nuovi dispositivi a semiconduttore di potenza. Ad esempio, FlipFET e iPOWIR di IR'utilizzano entrambi la tecnologia BGA e iPOWIR è anche la tecnologia MCM più tipica. Naturalmente, i dispositivi a semiconduttore di potenza hanno requisiti più elevati per la dissipazione del calore rispetto ai circuiti integrati. La dissipazione del calore su due lati comune in passato negli imballaggi a tiristori viene ora utilizzata per la prima volta nei dispositivi MOS. DirectFET ne è un esempio. Per quanto riguarda DirectFET, questo articolo fornirà una breve introduzione ad esso. 3) Una nuova tendenza è che i dispositivi a semiconduttore di potenza e i circuiti integrati sono spesso combinati nello stesso chip o nello stesso pacchetto. In altre parole, la parte di controllo più funzionale e la parte di potenza, o circuito di protezione, sono combinate in un unico dispositivo. In passato, i circuiti integrati di potenza a cui si fa riferimento si riferiscono principalmente a circuiti di pilotaggio ad alta tensione, ovvero circuiti integrati utilizzati per pilotare MOSFET o IGBT ad alta tensione. Tuttavia, attualmente è stata prodotta una classe di circuiti integrati e relativi dispositivi di alimentazione chiamati gestione dell'alimentazione. La tensione potrebbe non essere elevata, ma la funzione di controllo è notevolmente migliorata. I più tipici sono alcuni dispositivi in ​​applicazioni DC-DC. Pertanto, il concetto che i dispositivi di potenza si riferiscano solo a dispositivi discreti ha subito un cambiamento fondamentale. Ad esempio, i dispositivi avanzati relativi a IC o con funzioni speciali prodotti da IR hanno superato i dispositivi discreti convenzionali e si stanno ulteriormente sviluppando nella direzione della produzione"sistemi." Si dice che la produzione di dispositivi avanzati come sistemi e circuiti integrati diventerà il pilastro in futuro. In tale processo di sviluppo, il termine Power Management è diventato sempre più comune. La formulazione della gestione dell'alimentazione all'estero è diventata piuttosto popolare, specialmente nel settore dell'elettronica di potenza legato all'industria delle 4C. La frequenza del suo aspetto è persino superiore a quella dell'elettronica di potenza originale. Alcuni produttori stranieri spesso si definiscono esperti di gestione dell'alimentazione. In effetti, non c'è contraddizione in questo senso, perché la gestione dell'energia è solo una nuova formulazione in alcuni campi nell'attuale fase di sviluppo dell'elettronica di potenza. Rispetto all'elettronica di potenza, la gestione dell'alimentazione enfatizza"gestione." Enfatizza la funzione di controllo di questo aspetto. La parola potere può significare potere, elettricità o potere. La gestione può anche essere intesa come gestione o elaborazione. Pertanto, ci possono essere molti tipi di traduzioni cinesi. Tuttavia, i quattro caratteri cinesi per la gestione dell'alimentazione sono apparsi molte volte in Cina, il che potrebbe aggiungere qualche problema alla lingua standard. Tuttavia, molti termini stranieri hanno un proprio processo di sviluppo e spesso compaiono molti nuovi termini. Dovremmo avere una comprensione più profonda dell'emergere di questi nuovi termini da una prospettiva tecnica. La conversione di potenza (conversione di potenza) era quasi sinonimo di elettronica di potenza. Una rivista straniera una volta cambiò il titolo di Power Electronics in Power Conversion and Intelligent Motion (PCIM). Ma la conversione di potenza non può includere la gestione della potenza nell'elettronica di potenza. Come la regolazione del fattore di potenza* e il regolatore a bassa caduta di tensione (LDO) e così via. LDO è ampiamente utilizzato nell'alimentazione del computer come regolazione e stabilizzazione della tensione a piccola gamma. È un IC e include anche dispositivi di alimentazione. Ad esempio, in un alimentatore AC-DC, può esserci un dispositivo di alimentazione con PWM e accensione a tensione zero, che è anche un IC. Si chiama Switch integrato in IR. Questi sono esempi tipici della combinazione di circuiti integrati e dispositivi di alimentazione. Questa primavera, al primo incontro e mostra di PCIM' tenutosi in Cina, una volta ho presentato un rapporto su DirectFET per conto di un collega IR. Questo è un nuovo punto caldo per IR. Vorrei dare una breve introduzione a questo dispositivo qui. Come tutti sapete, ci sono già molti dispositivi di alimentazione che utilizzano il montaggio superficiale. Ma quelle forme di imballaggio generalmente seguono l'imballaggio originale dei circuiti integrati. Pertanto, dal punto di vista della dissipazione del calore, non è necessariamente il più adatto per i dispositivi di potenza. DirectFET è la prima volta che la dissipazione del calore su due lati dei dispositivi di potenza è stata introdotta nei dispositivi a montaggio superficiale. La dimensione del DirectFET è equivalente al case SO-8, ma la resistenza del case stesso è di soli 0,1 milliohm, mentre l'SO-8 è di 1,5 milliohm. Pertanto, la densità di corrente del dispositivo è raddoppiata e l'area del circuito stampato è ridotta del 50% rispetto all'alloggiamento originale SO-8. Un convertitore buck sincrono composto da una coppia di DirectFET (FET di controllo e FET sincrono) può fornire 30 ampere di corrente a 1,3 volt. Il sistema di alimentazione risultante soddisfa i requisiti di gestione dell'alimentazione dell'ultimo processore Intel a 64 bit Itanium2. Fare riferimento alla Figura 1 per l'aspetto di DirectFET. La figura mostra i due lati del dispositivo, un lato può vedere un gate e due parti di uscita della sorgente, saranno saldate direttamente sul circuito. L'altro lato è una copertura in rame, che è lo scarico e l'altro lato che può dissipare il calore. La Figura 2 mostra una vista in sezione trasversale di DirectFET, in modo da poter comprendere più chiaramente la sua struttura. Per coloro che sono abituati a dispositivi ad alta potenza, sembrerà molto nuovo: DirectFET ha solo 5x6,35x0,7 mm di dimensione. Questo dispositivo sarà utilizzato in computer notebook di fascia alta, moduli di modulazione di tensione di server, workstation e host e sistemi avanzati di comunicazione e dati. Vorrei introdurre brevemente la combinazione di circuiti integrati e dispositivi di alimentazione nei moduli di alimentazione alla fine di questo articolo. Si può dire che questa è una combinazione di microelettronica ed elettronica di potenza per una potenza maggiore. Tutti conoscono IPM, il modulo IGBT con intelligenza comunemente usato nei condizionatori. In realtà è un modulo IGBT con un driver IC. Moduli attualmente aggiornati stanno emergendo uno dopo l'altro, formando una grande famiglia a seconda delle diverse esigenze. Ad esempio, PI-IPM si riferisce a IPM programmabile e isolato. In questo modulo viene utilizzato DSP e il software può essere scritto. Darò un'introduzione speciale a questa grande famiglia in futuro.