Neden Enerji Tedariki Modern Elektronikte Yenidenlenebilirlik Maddeleri

Her elektronik cihaz sürekli, temiz bir güç kaynağına bağlıdır. Bir anary glitch bir sunucuda yanlış veri bozabilir, cerrahi robotu bozar veya bir fabrika üretim hattını kazar. Geleneksel güç malzemeleri, lineer düzenleyiciler ve mekanik röpekler on yıllardır hizmet eder, ancak başarısızlık modları - temas, ısı yorgunluk, sınırlı dalgalanmalar - daha yoğun ve her zaman entegre devreler haline gelirken, bir sonraki baskıların ve tümleşik devrelerin geri dönüşleri temel olarak, mühendislerin bir güç tedarikinden ne bekleyebilirler: daha yüksek zaman hataların (BFMT), daha sıkı düzenleme ve daha küçük ayak izi, daha küçük ayak izi ile daha küçük bir araya getirir.

Solid-State Bileşenler Nedir?

Katı devlet bileşenleri, silikon, galyum nitride veya silikon parçaları gibi yarı iletken malzemelerle kontrol eden elektronik cihazlardır (enerji malzemelerinde kullanılan üç temel katı bina bloğu şunlardır:

  • [FONT:0]Diodes[[Döneticiler) - sadece bir yönde akışa izin vermek; yeniden birleşme (AC to DC) için kullanılan, ücretsiz tekerlek ve ters-polarity koruma.
  • [FONT:0)Transistors (MOSFETs, IGBTs, BJTs)) – hızlı, elektronik kontrollü anahtarlar veya yükselteçler olarak hareket eder; geçiş düzenleyicilerinin ve dönüştürücülerin temeli.
  • [FONT=0)Integrated Circuits (ICs)) – yüzlerce veya binlerce transistör birleştirir, direnççiler ve kapasitörler, gerilim referansı gibi karmaşık işlevleri gerçekleştirmek için tek bir ölüyü yapar, PWM kontrol ve hata algılama.

Katı devlet cihazları monolithic (Tek bir çip üzerinde veya mühürlü bir pakette), onlar doğal olarak titreşime, toza ve neme karşı dayanıklıdırlar. Bu çevresel sağlamlık, mekanik düzenleyicilerin hemen hemen her modern güç tedarik tasarımında değiştirilmesinin başlıca nedenlerinden biridir.

Elektromekanik Tasarımlar Üzerinde Anahtar Avantajlar

Mekanik Giysilerin Deminasyonu

Mekanik röleler ve anahtarlar, bahar yorgunluğu ve yayılıştan muzdariptir. Tipik bir röleğe göre, güvenilirlik keskin bir şekilde düşer. Katı-devlet anahtarları erode ile temasa geçmiyor. Uygun bir şekilde tasarlanmış MOSFET geçişi, ölçülebilir bir bozulma olmadan milyarlarca geçişle başa çıkabilir.Bu, sık sık sık bisiklet gerektiren uygulamalar için ideal hale getirir, batarya şarj cihazı, dimmable LED sürücüleri gibi.

Yüksek Verimlilik ve Daha Düşük Sıcaklık

Linear düzenleyiciler ısı kadar fazla gerilim bırakıyor. 1 V to 5 V lineer düzenleyici at 1 A dissipates 7 W - verimli ve büyük ısı batağı gerektiriyor (görüntüler) veya tam olarak kapalı (geçici olmayan direnç) için, geçiş sırasındaki o kadar güç kaybı 100 kHz'de% 90 oranında daha küçük bir optik depolama sağlar.

Transients'i indirmek için Anında Yanıt

Bir işlemci aniden tam hesaplama yüküne kadar boş zaman, gerilim rayı mikrosaniyelerde yüzlerce milivolta düşebilir. Katı devlet kontrolörleri, nanosaniyeler içindeki düşüşü tespit edebilir ve geçiş transistörünün görevini dengelemek için ayarlar. Elektromekanik düzenleyiciler bu hızlı tepki veremez.

Kompakt, Hafif Form Faktörleri

Katı devlet bileşenleri yüksek frekanslarda çalışır, pasif manyetik bileşenler (transformers, indüktörler) çok daha küçük olabilir. Bugün 500 W geçiş gücü tedariki, 1970'lerden 500 W lineer tedarik hacminin yaklaşık bir kısmını kapsar.In-çip entegrasyonu parçalara düşürür; tek bir kontrol cihazı, onlarca ayrık mantık kapısı ve af-ampiyonu değiştirebilir.

Harsh Ortalarında Geliştirilmiş Durability

Katı devlet bileşenleri kirleticilere karşı mühürlenir. Geniş sıcaklık aralıklarında güvenilir bir şekilde çalışabilirler (-40 °C - +125 °C endüstriyel notlar için) ve yüksek oranda şok ve vibrasyona dayanamazlar. Askeri ve otomotiv gücü malzemeleri genellikle MIL-STD-810 veya AEC-Q100 standartlarını karşılamak için% 100 katı-devlet tasarımları belirtebilir.

Uygulama Alanları: Katı Devlet Güçleri Excelsi

Veri Merkezleri ve Misyon-Critical Altyapı

Sisteme uygun olmayan güç malzemeleri (UPS) for server rafları, batarya DC'yi temiz AC'ye dönüştürmek için sağlam devletli inverterlere güveniyor. Modern online UPS sistemleri IGBTs (ikantlı iki yönlü üstolojide çalışan) kullanır: AC, o zaman giriş güç anomalilerinden gelen yükleri izole eder.

Tıp Elektronik

MRG makineleri için güç malzemeleri, ventilatörler ve hasta monitörleri sıkı sızıntı mevcut ve izolasyon standartlarına uymalıdır. Katı devlet resonant dönüştürücüler yüksek verimlilik devam ederken izole edilmiş çıktılar. GaN (gallium nitride) transistörler tıbbi güçte giderek daha fazla kullanılmaktadır, çünkü doğru şekilde silinen çok küçük dönüştürücülerin kullanımını izin verebilirler.Reliability parasal bir şekilde: bir güç tedariki başarısız olur.

Yenilenebilir Enerji ve Elektrikli Araçlar

Solar inverterler, düşük geçiş kayıpları ile değişken DC'yi şebekeye uygun AC. Solid-state IGBTs ve SiC ( ⁇ cd) MOSFET'ler yüksek gerilimleri (500 V'ye kadar) dönüştürürler.En yüksek güç noktası (MPPT) algoritmalarının her bir watt'ı çıkarmak için hızlı, verimli anahtarlara ihtiyacı vardır. Elektrikli araç (EV) trafiğe sahip olmak için SiC modülleri kullanıyor.

Havacılık ve Savunma

Uydularda, sağlam devlet güç malzemeleri, örneğin, aşırı sıcaklık döngüleri ve kozmik radyasyon radyasyonu ile çalışan sağlam dönüştürücüler için titreşim ve koruma halkaları ile tek başına elektromekanik etkilere karşı koruma sağlar. Örneğin, mevcut limitler ve kozmik radyasyonlar ile mükemmel bir şekilde işletilen sağlam dönüştürücüler.

Meydanlar ve Mühendislik Ticareti

Yüksek Güç Densities'de ısı yönetimi

Katı devlet bileşenleri verimli olmasına rağmen, ürettiği ısı küçük bir ölü alanda yoğunlaşır. Tek bir IGBT modülü 200 A'yı bölmek için yüzlerce watt dağıtabilir. Uygun termal tasarım olmadan - ısınmış hava veya sıvı soğutma - sıcaklıkları en yüksek oranda yüksek çözünürlükte elde etmek için derecelendirilmelidir.

Overvoltage ve Overcurrent için Susceptability to Overvoltage and Overcurrent

Yarı iletken cihazlar sadece mikrosaniyeler tarafından yok edilebilir.Indüktif vuruş motorlardan geri dönüş, yıldırım dalgalanmaları ve grid geçiciler bir MOSFET kapısının ince oksit tabakasından yumruk atabilir. Katı-devlet anahtarlarını korumak için, tasarımcılar kontrol edilen tepki süresiyle korumayı desteklerler ()

Elektromanyetik Müdahale (EMI)

Hızlıca beton cihazları yüksek frekanslı harmonik ve radiated emisyonlar üretir. A MOSFET 500 kHz ile 15 veya CISPR standartlarının karşılaştırılması )/)[Düzücükler, bazı güç tedarik tasarımcıları, gürültüyü yakındaki bir frekans bandı üzerinden yaymak için bir miktar daha geniş bir frekans bandında azaltılabilir.

Kapı Drive Kompleksi

Solidstate anahtarları mükemmel değildir; üst düzeye çıkma ve düzgün bir şekilde hareket etmek için yardımcı devrelere ihtiyaç duyarlar. kapı sürücüsü çok düşük bir gerilime sahip (yaklaşık 1.5 V) özellikle de kapıdaki gürültüden kaçınmak için hassastır. Üst düzey yüz köprülü kapılar yanlış geçiş yapar ve imha mühendisleri, çok düşük bir süre boyunca güvenli bir şekilde giriş yapın.

Future: Sonraki Decade'yi Tanımlayacak Malzemeler ve Topolojiler

Geniş Bandgap yarı iletkenleri: SiC ve GaN

Silikon elektrik yoğunluğu ve hız geçişi için pratik sınırlara ulaştı. Silikon (SiC) ve galium nitride (GaN) daha geniş bant genişliği (3.3 eV ve 3.4 eV, vs. 1.1 eV for Si), daha yüksek gerilimlere dayanabilmeleri için cihazlara izin veriyor ve yüksek sıcaklıklara dayanabiliyorlar. USBCgzCgzoratörler ve endüstriyel motor sürücüleri için yüksek çözünürlükte 10.

Dijital Kontrol ve Tahminsel Bakım

Analog hata yükselteçleri ve sabit tazminat ağları yerine, modern güç malzemeleri, elektrik akımına dayalı davranışı gerçek zamanlı olarak ayarlayabilir.Infinestays and temperature.If the output cleor ESR has been increased the switch cycle. Digital control allows adaptive recovery: the power Supply supply available, input voltajı, and temperature.If the output cleon offer wide application notes on digital power.In future, power resources resources resources.In future, güçlendirici algoritmaları, mevcut, giriş gerilimine dayanan gerçek zamanlı olarak davranışını ayarlayacaktır.

Bütünleşme: Güç Modülleri ve Gömülü Pasifler

Daha fazla entegrasyon eğilimi devam ediyor. Solid-state bileşenleri, birden fazla anahtar içeren güç modüllerine, kapı sürücülerine, sıcaklık sensörlerine ve tek bir pakette hata korumasına sahip olmak için bir araya geliyor. Örneğin, motor sürücüleri için “akıllı IGBT” modülü entegre bir sürücü ve aşırı sağ-tavre koruma içeriyor. Benzer şekilde, pasif bileşenler (kapılayıcılar ve indüktörler) bu tür rotaları sadece kurtarmıyor.

Gallium Oksit ve Elmas Cihazları?

Araştırma grupları daha egzotik malzemeler keşfeder. Gallium oksit (Ga2O3) herhangi bir malzemenin en yüksek ısı iletkenliğine sahip, ancak yüksek gerilim kesinti marjları (belki olarak 10 kV üzerinde), ana dezavantajı zayıf ısı iletkenliğidir - ısı ekstraksiyonu en az on yıl içinde büyük bir konudur. 5.5 eV ve en yüksek ısı iletkenliği ile.[0EFLTD)

Katı-Devlet Bileşenleri Seçilmesi için Tasarım

Ger ve Şimdiki Puanlar

Her zaman sağlam devlet bileşenleri. Bir başparma kuralı: Sürekli bir drenaj ()) en az 1.5 kat daha fazla beklenen drenaj kaynağının yüküne sahip olmak için, sürekli olarak deşarj mevcut olması gerekir (DD: 4)[FLT: 6][FLT: 6D[/FONT) [D[D) [D) [Dönemli yükleri en az% 30 oranında aşarak yükyü aşıyor.

Frekansı geçiş vs. Kayıplar

Yüksek frekans manyetik boyutunu azaltır, ancak geçiş kayıpları artırır (dönüşüm ve transistörde kaybolup, artı temel kayıplar indüktörde).Ücretsizce [DÜDÜSÜŞÜNÜŞÜNCÜSÜŞÜNÜŞÜNCÜŞÜNÜŞÜNÜSÜŞÜNÜSÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜ

Başlangıç

Sıcaklık yolunu erkenden ayır. Sonlu bir element analizi (FEA) en kötü durumdaki koşullar altında kavurma sıcaklıklarını haritalandırmak için. Güç pedinde ısıyı iç bakır uçağa yaymak için bir termal vias serisi kullanmayı düşünün. TO-247 veya D2PAK paketleri için, doğal konveksiyon yetersizse özel bir ısı battı kullanın.

Güvenilirlik Test

Yüksek kullanılabilirlik uygulamaları için sağlam devlet bileşenlerinin yarısıT (yüksek hızlanmış yaşam testleri) ve HTRB (yüksek sıcaklık ters yanlı) testleri. Otomotiv (AEC-Q101) veya askeri (MIL-PRF-19500) ile bileşenlere bakın, ortam ciddiyse. ticari tasarımlar için başarısızlık oranları.

Sonuç: Katı Devlet Avantajı Denizve

Katı devlet bileşenlerinin benimsenmesi, binlerce saatten yüzlerce saat boyunca güç tedarik güvenilirliğini yükseltti. Mekanik aşınmayı ortadan kaldırmak, yüksek verimli topolojileri ortadan kaldırmak ve dijital istihbarat, yarı iletken tabanlı güç dönüştürücülerine izin vermek, şimdi 5 W-C şarj cihazı veya 500 kW'lık bir güneş sistemi şarj cihazı oluşturmak, sağlam devlet ekosistemi bileşenleri, daha fazla güvenlikli güçlendiricileri sağlamak, ancak daha genişleyen bir güçle hızlı geçiş yapmak için hızlı bir şekilde geçiş yapmak için hızlı bir şekilde geçiş.