| ? 先進(jìn)的電源產(chǎn)品,一個是技術(shù)指標(biāo)的先進(jìn);再一個就是體積要小,重量要輕;總的要求還要價錢便宜。要達(dá)到這些要求,一方面要由電路拓?fù)涞脑O(shè)計來達(dá)到,另一方面,就是要由產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和工藝來實現(xiàn)。還有電磁兼容問題,產(chǎn)品的工作溫升問題,工作穩(wěn)定性、可靠性、產(chǎn)品壽命問題,以及是否適合規(guī)模批量生產(chǎn)問題、生產(chǎn)成本問題。
? 這些問題的解決常常是綜合性的,既與產(chǎn)品的電路拓?fù)湓O(shè)計有關(guān),如電路的設(shè)計能否使電路的工作達(dá)到高效率,減少熱損耗;又與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)是否有利于散熱,兩個方面都關(guān)系密切。
? 我國對電源技術(shù)的研究,包括對電路拓?fù)涞难芯炕騽?chuàng)新,建模、仿真計算,優(yōu)化設(shè)計,實驗等,水平還是比較高的,特別是一些高等學(xué)府每年發(fā)表的博士論文,反映出我們的研究處在前沿水平,在某些方面還常有突破。
? 但我國的電源產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和工藝與先進(jìn)國家相比距離就顯得比較大了!傳統(tǒng)的觀念認(rèn)為結(jié)構(gòu)和工藝不是搞電路設(shè)計人員的事。現(xiàn)在這種觀念已經(jīng)不對了,要縮短這個差距,既要有做結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝技術(shù)人員的努力,還必須有電路設(shè)計的人員參與,兩方面人員的緊密結(jié)合才能達(dá)到好的效果。
一、ASIC的研發(fā)和生產(chǎn)
? 電源產(chǎn)品主要由半導(dǎo)體器件和電路組合而成,其發(fā)展方向是集成化、模塊化。一些通用的功能電路,現(xiàn)在多已做成集成電路（IC）芯片,近幾年發(fā)展很迅速,如功率因數(shù)校正(PFC)電路用的控制芯片(UC3854);軟開關(guān)控制的ZVS、ZCS芯片(UC3864,3865);移相全橋用ZVS-PWM控制芯片(UC-3875);ZVT、ZCT PWM控制芯片(UC-3855);并聯(lián)均流控制芯片(UC-3907);電流反饋控制芯片(UC3848)等。
? 電源整機(jī)如何集成化?一些擁有知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品為了實現(xiàn)保護(hù)專利,常將關(guān)鍵電路(或電路的關(guān)鍵部份)制成專用集成電路（ASIC）,事實證明,這種ASIC對于提高整機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量、可靠性,降低成本,增加附加值等方面,均具有十分重要的意義。因此世界著名的整機(jī)公司均設(shè)有ASIC分廠,以超前研制開發(fā)新產(chǎn)品所需的ASIC,以及生產(chǎn)整機(jī)產(chǎn)品用的ASIC。
目前我國的電源產(chǎn)品,在采用ASIC方面做了一些工作,有些對具有專利的關(guān)鍵電路做了簡單的二次集成。兩年前,我曾去深圳、中山、東莞、珠海參觀考察,例如,珠海一家中等規(guī)模的通用電源設(shè)備廠,是由一群北京的年青人創(chuàng)建的,設(shè)計生產(chǎn)各種開關(guān)電源,電源電路中的某關(guān)鍵器件和電路是他們在自己的超凈室中開發(fā)和集成而成生產(chǎn)的,這不但保證了電源整機(jī)的性能優(yōu)良,又保護(hù)了他們研發(fā)的成果專利。我們知道簡單的二次集成封裝實際上是不容易達(dá)到技術(shù)保密的,但是關(guān)鍵器件的開發(fā)與關(guān)鍵電路的集成就完全不同了。這是一件非常有意義的事,我國即將進(jìn)入WTO,設(shè)計和生產(chǎn)ASIC,對于保護(hù)我國具有知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品,是必不可少的。
二、高密度集成與系統(tǒng)集成
? 電源整機(jī)如何實現(xiàn)集成?美國Vicor公司給我們提供了成功的經(jīng)驗。Vicor生產(chǎn)的第一代電源模塊,由于受到生產(chǎn)技術(shù)、功率和磁性元件以及封裝技術(shù)的限制,功率密度始終未能超過每立方英寸80瓦。
? 近年來,Vicor推出的第二代電源模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)也改為模塊式,達(dá)到高度集成化和全面電腦化。功率密度已經(jīng)達(dá)到了每立方英寸120瓦。其關(guān)鍵在于第二代模塊采用了高密度集成的元件。模塊的內(nèi)含元件數(shù)只有第一代產(chǎn)品的1/3,由115個減為35個�？刂齐娐分缓瑑蓚�高度集成的元件,被稱作“大腦”(Brain),由Vicor公司自己的無塵室自行開發(fā)生產(chǎn),其總體積只有0.1立方英寸,取代了第一代產(chǎn)品中的約100個控制元件,體積縮小了60%。Vicor第二代產(chǎn)品中另一個突破是變壓器的改良,采用屏蔽式結(jié)構(gòu)和鍍銅磁芯,把初級和次級線圈分置左右兩邊而溫升很低。寄生電容和共模噪聲也很低。變壓器處理功率的密度達(dá)到了每立方英寸1000瓦。第二代產(chǎn)品功率器件的管芯直接焊接在基板上以取代第一代TO-200封裝,可以提高散熱效率,減小寄生電感、電容和熱阻。
? 高密度集成的進(jìn)一步發(fā)展就是做系統(tǒng)集成。這是李澤元教授提出的21世紀(jì)電力電子技術(shù)很多發(fā)展項目中的研發(fā)重點之一。李澤元教授領(lǐng)導(dǎo)的美國電力電子系統(tǒng)中心（CPES）已經(jīng)提出了系統(tǒng)集成的設(shè)想,信息傳輸、控制、驅(qū)動、保護(hù)、智能電路和功率半導(dǎo)體器件全部集成在一起變成模塊,組成的元件之間不用導(dǎo)線聯(lián)接以增加可靠性,采用三維空間處理熱量的方法來改善散熱,有可能將功率從低功率(幾百瓦—一千瓦)提升到高功率(幾十個千瓦以上)。系統(tǒng)集成的結(jié)果,可以改善現(xiàn)在的半自動化、半人工組裝的工藝,從而可能達(dá)到完全自動化生產(chǎn)。因而可以降低成本,形成批量,有利于普遍推廣。李澤元教授正在應(yīng)用這一設(shè)想,以CPES為中心結(jié)合美國幾所大學(xué)的特長,在做馬達(dá)驅(qū)動的系統(tǒng)集成工作。第一步是把逆變器做成一個模塊;第二步是把逆變器和馬達(dá)做在一起,形成一個系統(tǒng)集成。
三、提升我國工藝水平的途徑
? 從國外工業(yè)發(fā)達(dá)國家的經(jīng)驗看,電源產(chǎn)品必然要走集成化、模塊化的道路。要達(dá)到這一先進(jìn)目標(biāo),必須從現(xiàn)有的實際水平,做一些扎扎實實的工作。
? 從總體上來說,我國電源產(chǎn)品大多數(shù)還是由分立元件組裝而成。有些生產(chǎn)水平比較高、生產(chǎn)批量也比較大的廠,開始實現(xiàn)了機(jī)械手自動插元器件和波峰焊接印制電路板的先進(jìn)生產(chǎn)方法。大量中小企業(yè)還不具備機(jī)械手插接元器件的生產(chǎn)條件。對于整機(jī)裝配,人工還是占主要部分,整機(jī)的裝配水平還不夠高。如有的產(chǎn)品機(jī)內(nèi)接線布線亂而不合理,信號傳輸線與電力傳輸線過分靠近甚至還將兩者捆扎在一起。屏蔽線接地和各級接地點沒有經(jīng)過精心設(shè)計。這常導(dǎo)致整機(jī)工作的不穩(wěn)定,可靠性差。
? 對于大面積的裝配生產(chǎn)隊伍,應(yīng)提高基本原理工藝水平素質(zhì)。擁有知識產(chǎn)權(quán)的自主開發(fā)設(shè)計的產(chǎn)品,必須要做ASIC的工作,以保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)或?qū)＠�。通過ASIC的設(shè)計開發(fā)生產(chǎn),積累了經(jīng)驗,也擁有了一定的集成工藝的生產(chǎn)手段,然后就可以做整機(jī)的集成化工作,可以采取逐步實現(xiàn)的方法,如整個控制電路的集成,驅(qū)動電路的集成、保護(hù)電路的集成,等等。最后達(dá)到整機(jī)的集成化生產(chǎn)。
線路或整機(jī)的集成化生產(chǎn)設(shè)計,自然是搞結(jié)構(gòu)工藝的技術(shù)人員的工作,應(yīng)強(qiáng)調(diào)的也是搞線路拓?fù)湓O(shè)計人員的工作。因為高密度的集成,必須要考慮組成線路中導(dǎo)線本身或線與線間以及導(dǎo)線如何走向等分布參數(shù)的影響。尤其是開關(guān)工作頻率今后的發(fā)展是越來越高。線路拓?fù)渲械囊粋�電感,在IC中可能就是一根導(dǎo)電的聯(lián)線設(shè)計成一定的走向就可達(dá)到;線路拓?fù)渲械碾娙?很可能通過設(shè)計IC中的兩根導(dǎo)電聯(lián)線的形狀或距離就可以滿足要求。對于高密度高頻化的IC,今后也許內(nèi)部聯(lián)線沒有了,那就要靠調(diào)整元件的導(dǎo)體形狀和尺寸或距離來達(dá)到線路拓?fù)涞囊蟆Ｒ虼?線路拓?fù)湓O(shè)計人員必須要介入才能較好地完成這些工作。還有采用什么樣的介質(zhì),有介電常數(shù)還有介質(zhì)損耗問題,熱阻又如何;采用什么樣的導(dǎo)體材料,機(jī)械的、熱的特性是否協(xié)調(diào),工藝程序的先后,等等。總之,需要有既熟悉結(jié)構(gòu)工藝又理解電路拓?fù)涞娜藛T共同來完成。對于工程技術(shù)人員要求來說,搞工藝結(jié)構(gòu)的應(yīng)具有基本的電路拓?fù)渲R,而搞電路拓?fù)湓O(shè)計的也應(yīng)具有基本的工藝結(jié)構(gòu)知識。只有這樣,兩方面的工作在一個產(chǎn)品上才能體現(xiàn)出最佳結(jié)果。
? 為了迎接電源產(chǎn)品,或電力電子技術(shù)產(chǎn)品高密度集成和系統(tǒng)集成這一發(fā)展方向,培養(yǎng)專業(yè)人才的高等院校也應(yīng)做相應(yīng)的工作�，F(xiàn)在全國很多院校的電力電子與電力傳動學(xué)科,是以培養(yǎng)做線路拓?fù)湓O(shè)計人才為目的的;現(xiàn)在看來還應(yīng)當(dāng)設(shè)置介紹集成電路結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝,如表面貼裝、封裝、灌裝等有關(guān)知識的課程。在這方面,李澤元教授所在的弗基尼亞州立大學(xué),設(shè)置有多門介紹半導(dǎo)體器件、IC的工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)計,介紹各種工藝流程和應(yīng)用的材料的課程供學(xué)生選修,這是非常值得我們借鑒的。
? 要開展高密度集成工藝的研究,最后達(dá)到產(chǎn)品的系統(tǒng)集成要有資金的支持。我國的一些大的有影響的電源產(chǎn)品公司是有條件的,要拿出一定的資金開展這一工作,爭取在不太長的時間內(nèi),拿出我國電氣性能上先進(jìn),工藝結(jié)構(gòu)上也處于世界先進(jìn)水平的產(chǎn)品來�！�
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