อิเล็กทรอนิกส์กำลังและการจัดการพลังงาน

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังก่อตั้งขึ้นในปี 1970 ก่อนหน้านี้ผู้คนเรียกมันว่าเทคโนโลยีกระแสแปรผันหรือเทคโนโลยีการแปลงกำลัง ได้รับการพัฒนาจากเทคโนโลยีการแก้ไขในทศวรรษที่ 1940 และ 1950 ในช่วงต้นของอุตสาหกรรมนี้ มี Xi' สถาบันวิจัยวงจรเรียงกระแส โรงงานเครื่องแปลงกระแสไฟฟ้ารายใหญ่ทั่วประเทศ บริษัท International Rectifier ในสหรัฐอเมริกา และอื่นๆ บรรพบุรุษของ Xi' สถาบันวิจัยวงจรเรียงกระแส ห้องปฏิบัติการวิจัยเซมิคอนดักเตอร์ของสถาบันวิจัยอุปกรณ์ไฟฟ้าของกระทรวงเครื่องจักรเป็นหน่วยงานแรกสุดที่เกี่ยวข้องกับเซมิคอนดักเตอร์กำลังในประเทศจีน International Rectifier Company ซึ่งก่อตั้งขึ้นในปี 2490 ถือเป็นบริษัทเซมิคอนดักเตอร์ที่เก่าแก่ที่สุดในสหรัฐอเมริกา เมื่อไทริสเตอร์พัฒนาเป็นตระกูลใหญ่ เมื่ออุปกรณ์บางตัวที่มีเวลาปิดเครื่องสั้นหรือปิดง่ายถูกพัฒนาทีละน้อย แอพพลิเคชั่นอินเวอร์เตอร์จะค่อยๆ เพิ่มขึ้นเป็นแอพพลิเคชั่นหลัก ในเวลานี้ ชุมชนวิชาการเสนอว่าควรมีวินัยใหม่ในการจำแนกพัฒนาการนี้ ดังนั้นจึงมีอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังสัมพันธ์กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ข้อมูล อดีตเกี่ยวข้องกับข้อมูลและหลังเกี่ยวข้องกับอำนาจ ทฤษฎีการควบคุมอัตโนมัติและเทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์ใหม่ ๆ ได้รับการแนะนำในหัวข้อนี้ด้วย ในขณะนั้น ทิศทางของโปรแกรมประยุกต์มุ่งเน้นไปที่การใช้งานในอุตสาหกรรม ระบบลากรถ และระบบกำลัง ดังนั้นผู้คนจึงกังวลมากที่สุดเกี่ยวกับการพัฒนาทิศทางกำลังสูง ตัวอย่างเช่น แม้ว่าไทริสเตอร์แบบสองทิศทางจะถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในเครื่องใช้ในบ้าน แต่จีนยังคงล็อกการพัฒนาไทริสเตอร์แบบสองทิศทางไปในทิศทางของการใช้งานในอุตสาหกรรมในปี 1970 หลังจากนั้นก็ไม่พัฒนาเป็นไทริสเตอร์แบบสองทิศทางสำหรับเครื่องใช้ในครัวเรือน ในแง่ของเซมิคอนดักเตอร์กำลังสูง ช่องว่างระหว่างจีนและต่างประเทศไม่ได้ใหญ่มาก เนื่องจากความต้องการโครงสร้างพื้นฐานขนาดใหญ่ของจีน' เมื่อเทียบกับต่างประเทศ อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์กำลังสูงมีการใช้งานมากขึ้นในขั้นตอนนี้ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา มีการเปิดตัวโครงการสำคัญบางโครงการ ซึ่งทำให้ช่องว่างกับต่างประเทศสั้นลง นี่คือแง่มุมหนึ่งของการพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง นอกจากนี้ยังอาจเป็นประเด็นสำคัญที่ Power Electronics Society ประเทศของฉันให้ความสำคัญเสมอมา หลังจากการเพิ่มขึ้นของอุปกรณ์ประเภท MOS ในช่วงต้นทศวรรษ 1980 หลังจากการพัฒนามานานกว่าสิบปี อิเล็กทรอนิกส์กำลังได้ครอบคลุมสาขาอื่นๆ มากขึ้น เช่น อุตสาหกรรม 4C (การสื่อสาร คอมพิวเตอร์ เครื่องใช้ไฟฟ้า รถยนต์) ในเวลานี้ ความก้าวหน้าของเทคโนโลยีไม่เน้นถึงขนาดของพลังงาน แต่เน้นที่การจัดหาแหล่งพลังงานที่มีประสิทธิภาพ ขนาดเล็ก และเบาให้กับอุตสาหกรรมเหล่านี้ ถ้าเราบอกว่าอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังสูงเน้นระบบการดำเนินการ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังต่ำจะเน้นที่แหล่งจ่ายไฟ หากเปรียบไมโครอิเล็กทรอนิกส์เป็นเหมือนสมอง อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังขนาดใหญ่จะเน้นที่บทบาทของมือและเท้า ในขณะที่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังขนาดเล็กจะเน้นที่บทบาทของหัวใจ สมาคมพาวเวอร์ซัพพลายในประเทศของเราจะให้ความสำคัญกับบทบาทของคนหลังมากขึ้น แต่ทั้งคู่เป็นของอิเล็กทรอนิกส์กำลัง ฉันเชื่อว่าทั้งสองสังคมจะใส่ใจเกี่ยวกับการพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังในสองด้าน โดยสรุป เป็นการพัฒนาไทริสเตอร์ต่างๆ เป็นเวลา 20 ปี ซึ่งเป็นรากฐานที่มั่นคงสำหรับการพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังในอุตสาหกรรม การขับขี่ และระบบไฟฟ้า ไฟฟ้ากำลังก่อตัวขึ้น หลังจากนั้น อุปกรณ์ประเภท MOS ต่างๆ มีประสบการณ์การพัฒนามาแล้วกว่า 20 ปี ซึ่งวางรากฐานที่มั่นคงสำหรับการพัฒนาอุตสาหกรรม 4C ทำให้เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์กำลังก้าวไปข้างหน้า ในปัจจุบัน เนื่องจากการผนวกรวมไมโครอิเล็กทรอนิกส์และอิเล็กทรอนิกส์กำลังเข้าด้วยกันมากขึ้น อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์กำลังอยู่ในขั้นที่สาม ซึ่งสามารถแสดงให้เห็นได้ในสามด้านต่อไปนี้: 1) การผลิตชิปของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์กำลังใหม่มีการใช้ชิปวงจรรวมมากขึ้น เทคโนโลยี กล่าวอีกนัยหนึ่ง อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์กำลังกำลังนำเทคโนโลยีระดับย่อยไมครอน และพัฒนาไปในทิศทางของไมครอนย่อยลึก แนวคิดที่ว่าอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์กำลังเป็นเพียงเทคโนโลยีระดับต่ำควรเปลี่ยนได้แล้ว แน่นอนว่าการผลิตอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์กำลังไม่ได้ใช้เทคโนโลยีกระบวนการไอซีที่ล้ำหน้าที่สุดของปี แต่ความแตกต่างเหล่านี้ทำให้สามารถใช้อุปกรณ์ที่มีราคาถูกลงได้ ซึ่งจะช่วยลดต้นทุนการผลิต ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญมากสำหรับการพัฒนาอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์กำลัง 2) ไม่เพียงแต่เทคโนโลยีชิป แต่ยังรวมถึงเทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์กำลังเคลื่อนเข้าใกล้วงจรรวมมากขึ้น ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา จุดที่น่าสนใจสำหรับบรรจุภัณฑ์วงจรรวมคือการใช้เทคโนโลยี BGA (Ball Grid Array) และ MCM (Multi-Chip Module) ซึ่งค่อยๆ กลายเป็นวิธีการบรรจุภัณฑ์ที่อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์กำลังนำมาใช้ใหม่ ตัวอย่างเช่น IR' FlipFET และ iPOWIR ต่างก็ใช้เทคโนโลยี BGA และ iPOWIR ก็เป็นเทคโนโลยี MCM ทั่วไปที่สุดเช่นกัน แน่นอนว่าอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์กำลังต้องการการกระจายความร้อนที่สูงกว่าวงจรรวม การกระจายความร้อนแบบสองด้านที่ใช้กันทั่วไปในบรรจุภัณฑ์ไทริสเตอร์ในอดีต ถูกนำมาใช้ในอุปกรณ์ MOS เป็นครั้งแรก DirectFET เป็นตัวอย่างของมัน เกี่ยวกับ DirectFET บทความนี้จะแนะนำสั้น ๆ เกี่ยวกับ DirectFET 3) แนวโน้มใหม่คืออุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์กำลังไฟฟ้าและวงจรรวมมักจะรวมกันในชิปตัวเดียวกันหรือแพ็คเกจเดียวกัน กล่าวอีกนัยหนึ่งคือส่วนควบคุมและส่วนกำลังหรือวงจรป้องกันที่ใช้งานได้ดีกว่ารวมอยู่ในอุปกรณ์เดียว ในอดีต วงจรรวมกำลังไฟฟ้าที่ผู้คนอ้างถึงส่วนใหญ่หมายถึงวงจรไดรฟ์แรงสูง นั่นคือ วงจรรวมที่ใช้ในการขับเคลื่อน MOSFET หรือ IGBT แรงดันสูง อย่างไรก็ตาม ปัจจุบันมีการผลิตวงจรรวมและอุปกรณ์ไฟฟ้าที่เกี่ยวข้องซึ่งเรียกว่าการจัดการพลังงาน แรงดันไฟฟ้าอาจไม่สูง แต่ฟังก์ชันการควบคุมได้รับการปรับปรุงอย่างมาก อุปกรณ์ทั่วไปที่สุดคืออุปกรณ์บางอย่างในแอปพลิเคชัน DC-DC ดังนั้น แนวความคิดที่ว่าอุปกรณ์จ่ายไฟหมายถึงอุปกรณ์ที่ไม่ต่อเนื่องเท่านั้นจึงได้รับการเปลี่ยนแปลงขั้นพื้นฐาน ตัวอย่างเช่น อุปกรณ์ขั้นสูงที่เกี่ยวข้องกับ IC หรือฟังก์ชันพิเศษที่ผลิตโดย IR นั้นเหนือกว่าอุปกรณ์แยกแบบทั่วไป และกำลังพัฒนาต่อไปในทิศทางของการผลิต"ระบบ" มีคำกล่าวว่าการผลิตอุปกรณ์ขั้นสูง เช่น ระบบและไอซี จะกลายเป็นแกนนำในอนาคต ในกระบวนการพัฒนาดังกล่าว คำว่า การจัดการพลังงาน กลายเป็นเรื่องธรรมดามากขึ้นเรื่อยๆ สูตรการจัดการพลังงานในต่างประเทศได้รับความนิยมอย่างมากโดยเฉพาะในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์กำลังที่เกี่ยวข้องกับอุตสาหกรรม 4C ความถี่ของลักษณะที่ปรากฏนั้นสูงกว่าอิเล็กทรอนิกส์กำลังดั้งเดิม ผู้ผลิตต่างประเทศบางรายมักเรียกตัวเองว่าผู้เชี่ยวชาญด้านการจัดการพลังงาน ในความเป็นจริง ไม่มีความขัดแย้งในแง่นี้ เนื่องจากการจัดการพลังงานเป็นเพียงการกำหนดใหม่ในบางสาขาในขั้นตอนปัจจุบันของการพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง เมื่อเทียบกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง การจัดการพลังงานเน้น"การจัดการ" เน้นหน้าที่ของการควบคุมด้านนี้ คำว่า พลัง อาจหมายถึงกำลังไฟฟ้าหรือกำลังไฟฟ้า การจัดการสามารถเข้าใจได้ว่าเป็นการจัดการหรือการประมวลผล ดังนั้นจึงมีการแปลภาษาจีนได้หลายประเภท อย่างไรก็ตาม อักขระภาษาจีนสี่ตัวสำหรับการจัดการพลังงานได้ปรากฏขึ้นในประเทศจีนหลายครั้ง ซึ่งอาจเพิ่มปัญหาให้กับภาษามาตรฐาน อย่างไรก็ตาม คำศัพท์ต่างประเทศจำนวนมากมีกระบวนการพัฒนาของตนเอง และมักมีคำศัพท์ใหม่ๆ ปรากฏขึ้นมากมาย เราควรจะมีความเข้าใจอย่างลึกซึ้งถึงการเกิดขึ้นของข้อกำหนดใหม่เหล่านี้จากมุมมองทางเทคนิค การแปลงกำลัง (การแปลงกำลัง) เคยมีความหมายเหมือนกันกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง นิตยสารต่างประเทศครั้งหนึ่งเคยเปลี่ยนชื่อของ Power Electronics เป็น Power Conversion และ Intelligent Motion (PCIM) แต่การแปลงพลังงานสามารถ' ไม่รวมการจัดการพลังงานในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง เช่น การปรับค่าตัวประกอบกำลัง* และตัวควบคุมการเลื่อนออกต่ำ (LDO) เป็นต้น LDO ใช้กันอย่างแพร่หลายในแหล่งจ่ายไฟของคอมพิวเตอร์เป็นการปรับแรงดันไฟฟ้าช่วงเล็ก ๆ และรักษาเสถียรภาพ เป็น IC และยังรวมถึงอุปกรณ์ไฟฟ้า ตัวอย่างเช่น ในแหล่งจ่ายไฟ AC-DC อาจมีอุปกรณ์จ่ายไฟที่มี PWM และเปิดแรงดันไฟฟ้าเป็นศูนย์ ซึ่งเป็น IC ด้วยเช่นกัน เรียกว่า Integrated Switch ใน IR นี่เป็นตัวอย่างทั่วไปของการรวมกันของ IC และอุปกรณ์ไฟฟ้า ฤดูใบไม้ผลินี้ ที่ PCIM' s การประชุมรายงานและนิทรรศการครั้งแรกที่จัดขึ้นในประเทศจีน ฉันเคยนำเสนอรายงานเกี่ยวกับ DirectFET ในนามของเพื่อนร่วมงาน IR นี่เป็นจุดร้อนใหม่สำหรับ IR ฉันอยากจะแนะนำสั้น ๆ เกี่ยวกับอุปกรณ์นี้ที่นี่ อย่างที่คุณทราบ มีอุปกรณ์จ่ายไฟจำนวนมากที่ใช้ตัวยึดพื้นผิวอยู่แล้ว แต่รูปแบบบรรจุภัณฑ์เหล่านั้นโดยทั่วไปจะเป็นไปตามบรรจุภัณฑ์ดั้งเดิมของวงจรรวม ดังนั้นจากมุมมองของการกระจายความร้อนจึงไม่จำเป็นว่าจะเหมาะสมที่สุดสำหรับอุปกรณ์ไฟฟ้า DirectFET เป็นครั้งแรกที่มีการแนะนำการกระจายความร้อนแบบสองด้านของอุปกรณ์ไฟฟ้าในอุปกรณ์ยึดพื้นผิว ขนาดของ DirectFET นั้นเทียบเท่ากับเคส SO-8 แต่ความต้านทานของเคสนั้นมีเพียง 0.1 มิลลิโอห์ม ในขณะที่ SO-8 คือ 1.5 มิลลิโอห์ม ดังนั้นความหนาแน่นกระแสของอุปกรณ์เพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าและพื้นที่ของแผงวงจรจะลดลง 50% เมื่อเทียบกับตัวเรือน SO-8 ดั้งเดิม ตัวแปลงบั๊กแบบซิงโครนัสประกอบด้วย DirectFET (ควบคุม FET และ FET แบบซิงโครนัส) สามารถให้กระแสไฟฟ้าได้ 30 แอมแปร์ที่ 1.3 โวลต์ ระบบไฟฟ้าที่ได้นั้นตรงตามข้อกำหนดการจัดการพลังงานของโปรเซสเซอร์ 64 บิต Itanium2 ล่าสุดของ Intel ดูรูปที่ 1 สำหรับลักษณะที่ปรากฏของ DirectFET รูปแสดงทั้งสองด้านของอุปกรณ์ ด้านหนึ่งสามารถมองเห็นประตูและชิ้นส่วนตะกั่วออกสองส่วน จะถูกบัดกรีโดยตรงบนแผงวงจร อีกด้านเป็นฝาทองแดงซึ่งเป็นท่อระบายน้ำและอีกด้านหนึ่งที่สามารถระบายความร้อนได้ รูปที่ 2 แสดงภาพตัดขวางของ DirectFET เพื่อให้คุณเข้าใจโครงสร้างได้ชัดเจนยิ่งขึ้น สำหรับผู้ที่คุ้นเคยกับอุปกรณ์กำลังสูงจะรู้สึกใหม่มาก DirectFET มีขนาดเพียง 5x6.35x0.7 มม. อุปกรณ์นี้จะใช้ในคอมพิวเตอร์โน้ตบุ๊กระดับไฮเอนด์ โมดูลมอดูเลตแรงดันไฟฟ้าของเซิร์ฟเวอร์ เวิร์กสเตชันและโฮสต์ และระบบการสื่อสารและข้อมูลขั้นสูง ฉันอยากจะแนะนำสั้นๆ เกี่ยวกับการผสมผสานระหว่าง IC และอุปกรณ์จ่ายไฟในโมดูลพลังงานที่ท้ายบทความนี้ อาจกล่าวได้ว่านี่คือการผสมผสานระหว่างไมโครอิเล็กทรอนิกส์และอิเล็กทรอนิกส์กำลังเพื่อให้ได้พลังงานที่สูงขึ้น ทุกคนคงคุ้นเคยกับ IPM ซึ่งเป็นโมดูล IGBT ที่มีระบบอัจฉริยะที่ใช้กันทั่วไปในเครื่องปรับอากาศ เป็นโมดูล IGBT ที่มี IC ไดรเวอร์ โมดูลที่อัปเดตในปัจจุบันกำลังเกิดขึ้นทีละตัว สร้างครอบครัวขนาดใหญ่ตามความต้องการที่แตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น PI-IPM หมายถึง IPM ที่ตั้งโปรแกรมได้และฉนวน โมดูลนี้ใช้ DSP และสามารถเขียนซอฟต์แวร์ได้ ฉันจะแนะนำครอบครัวใหญ่นี้เป็นพิเศษในอนาคต