Leistungselektronik und Energiemanagement

Leistungselektronik wurde in den 1970er Jahren gegründet. Zuvor nannten die Leute es variable Stromtechnologie oder Stromumwandlungstechnologie. Es wurde aus der Gleichrichtungstechnik der 1940er und 1950er Jahre entwickelt. Zu Beginn dieser Branche gibt es Xi'ein Gleichrichterforschungsinstitut, große Gleichrichterfabriken im ganzen Land, die International Rectifier Company in den Vereinigten Staaten und so weiter. Der Vorgänger von Xi'einem Gleichrichterforschungsinstitut, dem Halbleiterforschungslabor des Forschungsinstituts für elektrische Ausrüstung des Maschinenministeriums, ist die früheste Einheit, die sich mit Leistungshalbleitern in China beschäftigt. Die 1947 gegründete International Rectifier Company gilt auch als das früheste Halbleiterunternehmen der USA. Wenn sich der Thyristor zu einer großen Familie entwickelt, wenn einige Geräte mit kurzer Ausschaltzeit oder leicht abschaltbar nach und nach entwickelt werden, steigt die Wechselrichteranwendung allmählich zur dominierenden Anwendung auf. Zu diesem Zeitpunkt schlug die akademische Gemeinschaft vor, dass es eine neue Disziplin geben sollte, um diese Entwicklung zu klassifizieren. Es gibt also Leistungselektronik relativ zur Informationselektronik. Ersteres beschäftigt sich mit Informationen und letzteres mit Macht. Auch mehr Theorie der automatischen Steuerung und neue elektronische Technologien wurden in dieses Thema eingeführt. Zu dieser Zeit konzentrierte sich die Anwendungsrichtung auf industrielle Anwendungen, Fahrzeugwiderstand und Antriebssysteme, daher sind die Menschen am meisten besorgt über die Entwicklung von Hochleistungsrichtungen. Obwohl bidirektionale Thyristoren beispielsweise in Haushaltsgeräten weit verbreitet sind, hat China die Entwicklung bidirektionaler Thyristoren in den 1970er Jahren immer noch in Richtung industrieller Anwendungen blockiert. Danach entwickelte er sich nicht mehr zu einem bidirektionalen Thyristor für Haushaltsgeräte. Bei den Hochleistungshalbleitern ist der Abstand zwischen China und dem Ausland nicht sehr groß. Aufgrund des massiven Infrastrukturbedarfs Chinas&im Vergleich zu anderen Ländern werden Hochleistungs-Halbleiterbauelemente in dieser Phase häufiger eingesetzt. In den letzten Jahren wurden einige Großprojekte auf den Weg gebracht, die den Abstand zum Ausland weiter verkürzt haben. Dies ist ein Aspekt der Entwicklung der Leistungselektronik. Es kann auch ein wichtiger Aspekt sein, auf den die Power Electronics Society meines Landes immer Wert gelegt hat. Nach dem Aufkommen von MOS-Bauelementen in den frühen 1980er Jahren hat die Leistungselektronik nach mehr als zehn Jahren Entwicklung weitere Bereiche abgedeckt, wie beispielsweise die 4C-Industrie (Kommunikation, Computer, Elektrogeräte für Verbraucher, Autos). Derzeit betont die Weiterentwicklung der Technologie weniger die Größe der Leistung, sondern konzentriert sich darauf, diese Industrien mit effizienteren, kleineren und leichteren Stromquellen zu versorgen. Wenn wir sagen, dass High-Power-Leistungselektronik das Ausführungssystem betont, betont Low-Power-Leistungselektronik die Stromversorgung. Vergleicht man die Mikroelektronik mit dem Gehirn, so betont die große Leistungselektronik die Rolle von Händen und Füßen, während die kleine Leistungselektronik die Rolle des Herzens betont. Die Stromversorgungsgesellschaft unseres Landes wird der Rolle der letzteren natürlich mehr Aufmerksamkeit schenken. Aber beide gehören zur Leistungselektronik. Ich glaube, dass sich beide Gesellschaften in zweierlei Hinsicht um die Entwicklung der Leistungselektronik kümmern werden. Zusammenfassend ist es die zwanzigjährige Entwicklung verschiedener Thyristoren, die eine solide Grundlage für die Entwicklung der Leistungselektronik in Industrie, Antriebs- und Leistungssystemen gelegt hat. Somit wird eine Leistungselektronik gebildet. Danach haben verschiedene MOS-Typ-Geräte zwei Jahrzehnte der Entwicklung durchlaufen, die auch eine solide Grundlage für die Entwicklung der 4C-Industrie gelegt haben. Machen Sie die Leistungselektronik-Technologie zu einem großen Schritt nach vorne. Aufgrund der weiteren Integration von Mikroelektronik und Leistungselektronik machen Leistungshalbleiterbauelemente derzeit den dritten Schritt, der sich in den folgenden drei Aspekten manifestieren kann: 1) Die Chipherstellung neuer Leistungshalbleiterbauelemente verwendet zunehmend integrierte Schaltungschips. Technologie, mit anderen Worten, Leistungshalbleiterbauelemente übernehmen die Submikron-Technologie und entwickeln sich in Richtung tiefer Submikron. Das Konzept, dass Leistungshalbleiterbauelemente nur eine Low-Level-Technologie sind, sollte nun geändert werden. Natürlich wurde bei der Herstellung von Leistungshalbleiterbauelementen nicht die fortschrittlichste IC-Prozesstechnologie des Jahres verwendet, aber diese Unterschiede ermöglichten es, billigere Geräte zu verwenden, wodurch die Herstellungskosten gesenkt wurden, was für die Entwicklung von Leistungshalbleiterbauelementen sehr wichtig ist. 2) Nicht nur die Chiptechnologie, sondern auch die Verpackungstechnologie für Leistungshalbleitergeräte rückt näher an integrierte Schaltkreise heran. In den letzten Jahren war die Verwendung von BGA- (Ball Grid Array) und MCM (Multi-Chip Module)-Technologien die Hotspots für das Packaging von integrierten Schaltungen, die sich allmählich zu den von neuen Leistungshalbleiterbauelementen übernommenen Verpackungsmethoden entwickelt haben. Zum Beispiel verwenden IR's FlipFET und iPOWIR beide die BGA-Technologie, und iPOWIR ist auch die typischste MCM-Technologie. Leistungshalbleiterbauelemente haben natürlich höhere Anforderungen an die Wärmeableitung als integrierte Schaltungen. Die in der Vergangenheit bei Thyristorgehäusen übliche doppelseitige Wärmeableitung wird nun erstmals in MOS-Bauelementen eingesetzt. DirectFET ist ein Beispiel dafür. In Bezug auf DirectFET wird dieser Artikel eine kurze Einführung geben. 3) Ein neuer Trend besteht darin, dass Leistungshalbleiterbauelemente und integrierte Schaltungen oft in demselben Chip oder demselben Gehäuse kombiniert werden. Mit anderen Worten, der funktionalere Steuerteil und der Leistungsteil oder die Schutzschaltung sind in einem Gerät vereint. In der Vergangenheit beziehen sich die leistungsintegrierten Schaltungen, auf die sich die Leute beziehen, hauptsächlich auf Hochspannungstreiberschaltungen, dh integrierte Schaltungen, die zum Treiben von MOSFETs oder IGBTs mit höherer Spannung verwendet werden. Gegenwärtig wird jedoch eine Klasse von integrierten Schaltungen und verwandten Leistungsvorrichtungen hergestellt, die als Leistungsverwaltung bezeichnet werden. Die Spannung ist möglicherweise nicht hoch, aber die Steuerfunktion wird stark verbessert. Die typischsten sind einige Geräte in DC-DC-Anwendungen. Daher hat sich das Konzept, dass sich Leistungsgeräte nur auf diskrete Geräte beziehen, grundlegend geändert. Beispielsweise haben fortschrittliche Bauelemente im Zusammenhang mit IC oder mit speziellen Funktionen, die durch IR hergestellt werden, konventionelle diskrete Bauelemente überholt und entwickeln sich in Richtung Produktions-&-Quotensysteme.&Zitat; Es gibt ein Sprichwort, dass die Produktion fortschrittlicher Geräte wie Systeme und ICs in Zukunft die tragende Säule werden wird. In einem solchen Entwicklungsprozess hat sich der Begriff Power Management immer mehr durchgesetzt. Die Formulierung des Power-Managements im Ausland hat sich vor allem in der Leistungselektronikindustrie in Verbindung mit der 4C-Industrie großer Beliebtheit erfreut. Die Häufigkeit seines Auftretens ist sogar höher als die der ursprünglichen Leistungselektronik. Einige ausländische Hersteller nennen sich oft Power-Management-Experten. Tatsächlich ist das kein Widerspruch, denn Power Management ist nur eine Neuformulierung in bestimmten Bereichen im aktuellen Entwicklungsstadium der Leistungselektronik. Im Vergleich zur Leistungselektronik betont das Powermanagement"Management.&Zitat; Betont die Funktion, diesen Aspekt zu kontrollieren. Das Wort Power kann Macht, Elektrizität oder Macht bedeuten. Management kann auch als Management oder Verarbeitung verstanden werden. Daher kann es viele Arten von chinesischen Übersetzungen geben. Die vier chinesischen Schriftzeichen für die Energieverwaltung sind jedoch in China oft aufgetaucht, was die Standardsprache möglicherweise um einige Probleme erweitert. Viele ausländische Begriffe haben jedoch einen eigenen Entwicklungsprozess, und es tauchen oft viele neue Begriffe auf. Wir sollten die Entstehung dieser neuen Begriffe aus technischer Sicht besser verstehen. Power Conversion (Power Conversion) war früher fast gleichbedeutend mit Leistungselektronik. Ein ausländisches Magazin änderte einmal den Titel von Power Electronics in Power Conversion and Intelligent Motion (PCIM). Aber die Leistungsumwandlung kann'nicht alle ein Leistungsmanagement in der Leistungselektronik beinhalten. Zum Beispiel Leistungsfaktoranpassung* und Low-Dropout-Regler (LDO) und so weiter. LDO wird häufig in der Computerstromversorgung als Spannungsanpassung und -stabilisierung im kleinen Bereich verwendet. Es ist ein IC und enthält auch Leistungsgeräte. In einer AC-DC-Stromversorgung kann es beispielsweise ein Leistungsgerät mit PWM und Nullspannungseinschaltung geben, das auch ein IC ist. Es heißt Integrated Switch in IR. Dies sind typische Beispiele für die Kombination von IC und Leistungsbauelementen. In diesem Frühjahr habe ich bei der ersten Berichtssitzung und Ausstellung von PCIM&in China einmal im Namen eines IR-Kollegen einen Bericht über DirectFET präsentiert. Dies ist ein neuer Hotspot für IR. Ich möchte hier eine kurze Einführung in dieses Gerät geben. Wie Sie alle wissen, gibt es bereits viele Leistungsgeräte mit Oberflächenmontage. Aber diese Verpackungsformen folgen im Allgemeinen der Originalverpackung von integrierten Schaltkreisen. Daher ist es aus Sicht der Wärmeableitung nicht unbedingt das geeignetste für Leistungsgeräte. DirectFET ist das erste Mal, dass die doppelseitige Wärmeableitung von Leistungsbauelementen in oberflächenmontierte Bauelemente eingeführt wurde. Die Größe des DirectFET entspricht dem des SO-8-Gehäuses, der Widerstand des Gehäuses selbst beträgt jedoch nur 0,1 Milliohm, während das SO-8 1,5 Milliohm beträgt. Dadurch wird die Stromdichte des Gerätes verdoppelt und die Fläche der Platine gegenüber dem originalen SO-8 Gehäuse um 50 % reduziert. Ein synchroner Abwärtswandler, der aus einem Paar DirectFETs (Steuer-FET und Synchron-FET) besteht, kann 30 Ampere Strom bei 1,3 Volt bereitstellen. Das resultierende Stromversorgungssystem erfüllt die Energieverwaltungsanforderungen von Intels neuestem 64-Bit-Prozessor Itanium2. Siehe Abbildung 1 für das Aussehen von DirectFET. Die Abbildung zeigt die beiden Seiten des Geräts, eine Seite sieht ein Gate und zwei Source-Ausführungsteile, sie werden direkt auf die Platine gelötet. Die andere Seite ist eine Kupferabdeckung, die der Abfluss ist und die andere Seite, die Wärme abführen kann. Abbildung 2 zeigt eine Querschnittsansicht von DirectFET, damit Sie seine Struktur besser verstehen können. Für diejenigen, die an Hochleistungsgeräte gewöhnt sind, wird es sich sehr neu anfühlen: DirectFET ist nur 5x6,35x0,7mm groß. Dieses Gerät wird in High-End-Notebooks, Spannungsmodulationsmodulen von Servern, Workstations und Hosts sowie fortschrittlichen Kommunikations- und Datensystemen verwendet. Die Kombination von IC und Leistungsbauelementen in Leistungsmodulen möchte ich am Ende dieses Artikels kurz vorstellen. Man kann sagen, dass dies eine Kombination aus Mikroelektronik und Leistungselektronik für höhere Leistungen ist. Jeder kennt IPM, das in Klimaanlagen übliche IGBT-Modul mit Intelligenz. Es ist eigentlich ein IGBT-Modul mit einem Treiber-IC. Derzeit entstehen nacheinander aktualisierte Module, die eine große Familie für unterschiedliche Bedürfnisse bilden. PI-IPM bezieht sich beispielsweise auf programmierbares und isoliertes IPM. In diesem Modul wird DSP verwendet, und es kann Software geschrieben werden. Ich werde dieser großen Familie in Zukunft eine besondere Einführung geben.