Quvvat elektronikasi va quvvatni boshqarish

Quvvat elektronikasi 1970 -yillarda shakllangan. Bundan oldin, odamlar uni o'zgaruvchan oqim texnologiyasi yoki quvvatni aylantirish texnologiyasi deb atashgan. U 1940-1950 yillarda tuzatish texnologiyasidan ishlab chiqilgan. Bu sohaning boshida Xi' Rektifer tadqiqot instituti, butun mamlakat bo'ylab yirik tuzatuvchi zavodlar, AQShdagi Xalqaro rektifier kompaniyasi va boshqalar bor. Xi&№39; Rektifer ilmiy -tadqiqot instituti, Mashinasozlik vazirligi elektr jihozlari ilmiy -tadqiqot institutining yarimo'tkazgichlar tadqiqot laboratoriyasi - Xitoyda yarimo'tkazgichlar bilan ishlaydigan birinchi birlik. 1947 yilda tashkil etilgan International Rectifier Company, shuningdek, Qo'shma Shtatlardagi eng birinchi yarimo'tkazgichli kompaniya hisoblanadi. Tiristor katta oilaga aylanganda, o'chirish vaqti qisqa yoki o'chishi oson bo'lgan ba'zi qurilmalar asta-sekin ishlab chiqilsa, inverter ilovasi asta-sekin dominant dasturga ko'tariladi. Bu vaqtda akademik hamjamiyat bu rivojlanishni tasniflash uchun yangi intizom bo'lishi kerakligini taklif qildi. Shunday qilib, axborot elektronikasiga nisbatan kuch elektronikasi mavjud. Birinchisi axborot bilan, ikkinchisi hokimiyat bilan shug'ullanadi. Bu fanga avtomatik boshqaruv nazariyasi va yangi elektron texnologiyalar ham kiritildi. O'sha paytda, dastur yo'nalishi sanoat dasturlari, transport vositalarini tortish va quvvat tizimlariga qaratilgan edi, shuning uchun odamlar yuqori quvvatli yo'nalishning rivojlanishi haqida ko'proq tashvishlanadilar. Masalan, maishiy texnikada ikki tomonlama tiristorlar keng qo'llanilgan bo'lsa -da, Xitoy 70 -yillarda sanoat qo'llanmalari yo'nalishida ikki tomonlama tiristorlarning rivojlanishini haligacha qulflagan. Shundan so'ng, u maishiy texnika uchun ikki tomonlama tiristorga aylanmadi. Yuqori quvvatli yarimo'tkazgichlar nuqtai nazaridan, Xitoy va xorijiy davlatlar orasidagi farq unchalik katta bo'lmagan. Xitoyning&39-sonli infratuzilmaga bo'lgan ehtiyojidan kelib chiqqan holda, xorijiy davlatlarga qaraganda, yuqori quvvatli yarimo'tkazgichli qurilmalar ushbu bosqichda ko'proq foydalanishga ega. So'nggi yillarda ba'zi yirik loyihalar joriy etildi, bu esa xorijiy davlatlar bilan farqni yanada qisqartirdi. Bu elektrotexnika rivojlanishining bir jihati. Bu, shuningdek, mening mamlakatingiz Power Electronics jamiyati har doim katta ahamiyat bergan muhim jihat bo'lishi mumkin. 1980-yillarning boshlarida MOS tipidagi qurilmalar paydo bo'lganidan so'ng, o'n yildan oshiq rivojlanishdan so'ng, elektrotexnika 4C sanoati (aloqa, kompyuter, maishiy elektr asboblari, avtoulovlar) kabi boshqa sohalarni qamrab oldi. Hozirgi vaqtda uning texnologiyasining rivojlanishi kuch hajmiga unchalik ahamiyat bermaydi, lekin bu tarmoqlarni yanada samarali, kichik va engil quvvat manbalari bilan ta'minlashga e'tibor qaratadi. Agar biz yuqori quvvatli elektronika ijro etuvchi tizimni ta'kidlasa, past quvvatli elektronika elektr ta'minotini ta'kidlaydi. Agar mikroelektronika miyaga o'xshatilsa, katta quvvatli elektronika qo'l va oyoqning rolini, kichik quvvatli elektronika esa yurakning rolini ta'kidlaydi. Mamlakatimizning elektr ta'minoti jamiyati, tabiiyki, ikkinchisining roliga ko'proq e'tibor beradi. Ammo ikkalasi ham kuch elektronikasiga tegishli. Men ishonamanki, har ikkala jamiyat ham elektr elektronikasini rivojlantirishga ikki jihatdan g'amxo'rlik qiladi. Xulosa qilib aytadigan bo'lsak, bu turli tiristorlarning yigirma yillik rivojlanishi, bu sanoat, haydash va quvvat tizimlarida elektrotexnika rivojlanishiga mustahkam asos yaratdi. Shunday qilib, kuch elektronikasi hosil bo'ladi. Shundan so'ng, MOS tipidagi har xil qurilmalar yigirma yillik rivojlanishni boshdan kechirdi, bu ham 4C sanoatining rivojlanishiga mustahkam poydevor yaratdi. Quvvatli elektronika texnologiyasini oldinga katta qadam qo'ying. Hozirgi vaqtda mikroelektronika va elektrotexnika yanada integratsiyalashganligi sababli, yarimo'tkazgichli quvvatli qurilmalar uchinchi qadamni tashlamoqda, bu quyidagi uch jihatda namoyon bo'lishi mumkin: 1) yangi quvvatli yarimo'tkazgichli qurilmalarni chip ishlab chiqarish tobora ko'proq integrallashgan mikrosxemalar yordamida. Texnologiya, boshqacha aytganda, yarimo'tkazgichli elektr qurilmalar submikron texnologiyasini o'zlashtirmoqda va chuqur submikron yo'nalishida rivojlanmoqda. Yarimo'tkazgichli qurilmalar faqat past darajali texnologiya degan tushunchani o'zgartirish kerak. Albatta, yarimo'tkazgichli elektr qurilmalarini ishlab chiqarishda yilning eng ilg'or IC texnologiyasi ishlatilmadi, lekin bu farqlar arzon uskunalardan foydalanishga imkon berdi, shu bilan ishlab chiqarish xarajatlarini kamaytirdi, bu esa yarimo'tkazgichli elektr qurilmalarini ishlab chiqish uchun juda muhim. 2) Faqat chip texnologiyasi emas, balki yarimo'tkazgichli qurilmalarni qadoqlash texnologiyasi ham integral mikrosxemalarga yaqinlashmoqda. So'nggi bir necha yil ichida, integratsiyalashgan elektron qadoqlash uchun issiq joylar BGA (Ball Grid Array) va MCM (Multi-Chip Module) texnologiyalaridan foydalanish bo'lib, ular asta-sekin yangi quvvatli yarimo'tkazgichli qurilmalar tomonidan qadoqlash usullariga aylandi. Masalan, IR&39 -sonli FlipFET va iPOWIR ikkalasi ham BGA texnologiyasidan foydalanadi va iPOWIR ham eng tipik MCM texnologiyasi hisoblanadi. Albatta, yarimo'tkazgichli quvvat qurilmalari issiqlik uzatish uchun integral mikrosxemalarga qaraganda yuqori talablarga ega. Ilgari tiristorli qadoqlashda keng tarqalgan ikki tomonlama issiqlik tarqalishi hozirda MOS qurilmalarida birinchi marta qo'llanilmoqda. DirectFET bunga misol. DirectFET -ga kelsak, ushbu maqola unga qisqacha kirish beradi. 3) Yangi tendentsiya shundaki, kuchli yarimo'tkazgichli qurilmalar va integral mikrosxemalar ko'pincha bir xil chip yoki bitta paketda birlashtiriladi. Boshqacha qilib aytganda, funktsional boshqaruv qismi va quvvat qismi yoki himoya davri bitta qurilmada birlashtirilgan. Ilgari, odamlar nazarda tutadigan quvvatli integral mikrosxemalar asosan yuqori voltli haydovchini, ya'ni yuqori voltli MOSFET yoki IGBTlarni haydash uchun ishlatiladigan integral mikrosxemalarni nazarda tutadi. Shu bilan birga, hozirgi vaqtda quvvatni boshqarish deb nomlangan integral mikrosxemalar va tegishli quvvat qurilmalari sinfi ishlab chiqarildi. Voltaj yuqori bo'lmasligi mumkin, lekin boshqaruv funktsiyasi ancha kuchayadi. Eng tipiklari DC-DC ilovalaridagi ba'zi qurilmalardir. Shu sababli, quvvat qurilmalari faqat diskret qurilmalarga tegishli degan tushuncha tubdan o'zgardi. Masalan, IC bilan bog'liq bo'lgan yoki IK tomonidan ishlab chiqarilgan maxsus funktsiyali ilg'or qurilmalar an'anaviy diskret qurilmalardan oshib ketdi va" tizimlarini ishlab chiqarish yo'nalishida yanada rivojlanmoqda.&tirnoq; Aytishlaricha, kelajakda tizim va IC kabi ilg'or qurilmalarni ishlab chiqarish asosiy tayanchga aylanadi. Bunday rivojlanish jarayonida "Power Management" atamasi tobora keng tarqalgan. Chet elda elektr energiyasini boshqarishni shakllantirish, ayniqsa 4C sanoati bilan bog'liq bo'lgan elektrotexnika sanoatida juda mashhur bo'lib ketdi. Uning paydo bo'lish chastotasi asl elektrotexnikaga qaraganda ancha yuqori. Ba'zi xorijiy ishlab chiqaruvchilar ko'pincha o'zlarini elektr energiyasini boshqarish bo'yicha mutaxassislar deb atashadi. Aslida, bu borada hech qanday qarama -qarshilik yo'q, chunki elektr energiyasini ishlab chiqishning hozirgi bosqichida quvvatni boshqarish ma'lum sohalarda yangi formuladir. Quvvat elektronikasi bilan taqqoslaganda, quvvat boshqaruvi&boshqaruvini ta'kidlaydi.&tirnoq; Bu jihatni nazorat qilish funktsiyasini ta'kidlaydi. Quvvat so'zi kuch, elektr yoki kuchni anglatishi mumkin. Menejmentni boshqarish yoki qayta ishlash deb ham tushunish mumkin. Shuning uchun xitoycha tarjimalarning ko'p turlari bo'lishi mumkin. Biroq, Xitoyda kuch boshqaruvi uchun to'rtta xitoycha belgi ko'p marta paydo bo'lgan, bu esa standart tilga ba'zi muammolarni qo'shishi mumkin. Biroq, ko'plab xorijiy atamalarning o'ziga xos rivojlanish jarayoni bor va ko'pincha yangi terminlar paydo bo'ladi. Biz ushbu yangi atamalarning paydo bo'lishini texnik nuqtai nazardan chuqurroq tushunishimiz kerak. Quvvat konvertatsiyasi (Power Conversion) ilgari elektrotexnika bilan deyarli sinonim bo'lgan. Bir vaqtlar chet el jurnali Power Electronics nomini Power Conversion and Intelligent Motion (PCIM) ga o'zgartirdi. Quvvat konvertatsiyasi [39] hammasi elektr energiyasi boshqaruvini o'z ichiga olmaydi. Quvvat koeffitsientini sozlash* va past tushish regulyatori (LDO) va boshqalar. LDO kompyuter quvvat manbai sifatida kichik diapazonli kuchlanishni sozlash va barqarorlashtirish sifatida keng qo'llaniladi. Bu IC va shuningdek, quvvat qurilmalarini o'z ichiga oladi. Misol uchun, AC-DC quvvat manbaida PWM va nol kuchlanishli yoqilgan quvvat qurilmasi bo'lishi mumkin, bu ham IC. U IR -da o'rnatilgan kalit deb nomlanadi. Bu IC va quvvat qurilmalari kombinatsiyasining odatiy namunalari. Bu bahorda, PCIM&№ 39 ning Xitoyda o'tkazilgan birinchi hisobot uchrashuvi va ko'rgazmasida men bir marta IR hamkasbi nomidan DirectFET haqida hisobot taqdim etdim. Bu IR uchun yangi issiq joy. Men bu erda ushbu qurilma haqida qisqacha ma'lumot bermoqchiman. Hammangizga ma'lumki, sirtni o'rnatishni ishlatadigan ko'plab quvvat qurilmalari allaqachon mavjud. Ammo bu qadoqlash shakllari odatda integral mikrosxemalarning asl qadoqlariga mos keladi. Shuning uchun, issiqlik tarqalishi nuqtai nazaridan, bu kuch qurilmalari uchun eng mos emas. DirectFET-bu birinchi marta kuch qurilmalarining ikki tomonlama issiqlik tarqalishi sirtga o'rnatiladigan qurilmalarga kiritildi. DirectFET hajmi SO-8 korpusiga teng, lekin korpusning qarshiligi atigi 0,1 miliom, SO-8 esa 1,5 milliom. Shunday qilib, qurilmaning joriy zichligi ikki barobarga oshadi va SO-8 korpusiga qaraganda elektron plataning maydoni 50% ga kamayadi. Bir juft DirectFET (FET boshqaruvi va sinxron FET) dan tashkil topgan sinxron pul konvertori 1,3 voltsli 30 amperli oqimni ta'minlay oladi. Olingan quvvat tizimi Intelning so'nggi 64-bitli Itanium2 protsessorining quvvatni boshqarish talablariga javob beradi. DirectFET ko'rinishi uchun 1 -rasmga qarang. Rasmda qurilmaning ikki tomoni ko'rsatilgan, bir tomonda darvoza va ikkita manba o'tkazgichli qism bor, ular to'g'ridan-to'g'ri elektron kartaga lehimlanadi. Boshqa tomoni mis qopqoq, bu drenaj va boshqa tomoni issiqlikni tarqatishi mumkin. 2-rasmda DirectFETning kesma ko'rinishi ko'rsatilgan, shuning uchun siz uning tuzilishini aniqroq tushunishingiz mumkin. Kuchli qurilmalarga o'rganganlar uchun bu juda yangi bo'lib tuyuladi: DirectFET hajmi atigi 5x6.35x0.7 mm. Bu qurilma yuqori darajali noutbuklarda, serverlarning kuchlanish modulyatsiyasi modullarida, ish stantsiyalarida va xostlarda, rivojlangan aloqa va ma'lumotlar tizimlarida ishlatiladi. Men ushbu maqolaning oxirida quvvat modullarida IC va quvvat qurilmalarining kombinatsiyasini qisqacha tanishtirmoqchiman. Aytish mumkinki, bu yuqori kuch uchun mikroelektronika va kuch elektronikasining kombinatsiyasi. Hamma konditsionerlarda keng qo'llaniladigan aqlli IGBT moduli IPM bilan tanish. Bu aslida haydovchi ICga ega IGBT moduli. Hozirgi vaqtda yangilangan modullar birin -ketin paydo bo'lib, turli ehtiyojlarga ko'ra katta oilani tashkil qiladi. Masalan, PI-IPM deganda programlanadigan va izolyatsiyalangan IPM tushuniladi. Ushbu modulda DSP ishlatiladi va dasturiy ta'minot yozilishi mumkin. Kelgusida bu katta oila haqida alohida tanishtiruv o'tkazaman.