Введение к работе
Актуальность темы. К микроэлектронным преобразователям энергии (МПЭ) относятся объединенные общими принципами функционирования и изготовленные с привлечением методов полупроводниковой и/или интегрально-гибридной технологий устройства, предназначенные для преобразования и перераспределения энергии [1 *]. Это источники вторичного электропитания, полупроводниковые автоматы защиты и коммутации сетей, устройства управления исполнительными элементами. Общим для всех этих устройств является преобразование энергии, базирующееся на взаимодействие полупроводниковых и реактивных элементов и сопровождаемое выделением значительного количества тепла, что препятствует их миниатюризации и ведет к увеличению массы и объема, снижению надежности и достигаемой функциональной сложности, а так же увеличению стоимости электронной аппаратуры. Известно, что при заданных условиях эксплуатации минимальные размеры устройства достигаются в случае, если объем его конструкции имеет поверхность, достаточную для отвода выделяющегося в процессе работы тепла. Устройства, отвечающие этим требованиям, принято считать оптимальными по критерию объем-тепло[2*]. Такая оптимальность достижима только при компромиссе между конструкторско-технологическими и схемотехническими методами решения поставленной задачи.
Вне зависимости от оптимальности по критерию объем-тепло МПЭ должны обеспечивать требуемые качественные показатели выходных параметров, определяющие возможность их использования в заданных условиях эксплуатации. К ним, в первую очередь, относятся статическая и динамическая точность поддержания выходных параметров, их температурная и временная стабильность, уровень пульсации, входное и выходное сопротивления и т.д. Все они, совместно с массо-объемными и экономическими показателями определяют качество МПЭ, под которым, согласно международному стандарту ISO 8420, понимается совокупность характеристик объекта, относящихся к его способности удовлетворять установленные и
предполагаемые потребности.
Качество, согласно теории Всеобщего Управления Качеством [3*], является параметром продукта, которым необходимо управлять. Такое управление должно базироваться на научно обоснованной теории, охватывающей все этапы жизненного цикла изделия. При этом основной акцент необходимо делать на начальные этапы, то есть проектирование и контроль соответствия реальных параметров эталону, так как согласно правилу десятикратных затрат [3*], исправление ошибок на каждом последующем этапе жизненного цикла изделия на порядок увеличивает расходы на его изготовление. Реализация данной концепции применительно к МПЭ настоятельно требует разработки сквозного теории проектирования, как самого изделия, так и процесса его изготовления, включая методы проведения контроля параметров непосредственно в процессе производства.
Несмотря на значительное количество публикаций, посвященных МПЭ, до настоящего времени нет законченной теории их проектирования. Большинство известных работ посвящено разработке новых принципов построения и функционирования силовых структур [4*,5*,6*], их оптимизации по энергетическим и массо-объемным характеристикам [1*,2*]. При этом практически полностью отсутствуют работы, посвященные обеспечению в устройствах, оптимизированных по критерию объем-тепло, заданных выходных параметров. Объясняется это сложностью данного класса устройств, относящихся к сугубо нелинейным, импульсным системам, силовая часть которых может быть как стационарной, так и нестационарной или периодически нестационарной, и использующим сложные законы регулирования (импульсную модуляцию второго рода - ИМ-2) [7*]. Применяемые в настоящее время при проектировании квазинепрерывные методы [8*] не позволяют в оптимизированных по критерию объем-тепло МПЭ получить высокое качество выходных параметров. Нерешенность вопросов анализа и синтеза не позволяет завершить процесс разработки МПЭ на стадии проектирования и ставит его результаты в зависимость от опыта разработчика, превращая в итерационный процесс, что приводит к многочисленным
5 доработкам по результатам испытаний, затягиванию сроков выпуска и
удорожанию готовых изделий.
Не решенными являются и вопросы оптимизации контроля параметров изделий в процессе производства. Углубление контроля позволяет выявить брак на ранних этапах, но увеличивает сроки и удорожает производство. Отсутствие контроля приводит к изготовлению заведомо бракованных изделий, что также увеличивает конечную стоимость продукции. Следовательно, оптимизация контроля требует нахождения обоснованного компромисса между количеством собираемой информации и достоверностью отображаемого с ее помощью реального качества изделия.
Таким образом, разработка теории оптимизированных по критерию объем-тепло МПЭ, позволяющей обеспечить заданные качественные показатели этих устройств на ранних стадиях жизненного цикла, а именно на этапах проектирования и производства, сделает возможной разработку нового поколения устройств данного класса, что позволит решить важную практическую задачу и внести существенный вклад в научно-технический прогресс. Поэтому тема диссертации представляется важной и актуальной.
Целью исследования является разработка основ теории, направленной на обеспечение требуемых качественных показателей МПЭ с ИМ-2, оптимизированных по критерию объем-тепло, на этапах его проектирования и производства и разработка на ее основе устройств преобразования энергии с повышенными массо-объемными показателями а также систем контроля качества изделий непосредственно в процессе производства.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе необходимо решить следующие конкретные задачи.
1. Создать теорию проектирования МПЭ с ИМ-2 по заданным показателям качества выходных параметров, базирующуюся на компромиссе между схемотехническими и конструкторско-технологическими методами реализации поставленной задачи, для чего необходимо:
разработать математические модели основных типов МПЭ с ИМ-2, описывающие их динамические параметры с учетом характерных
нелинейностей, присущих используемым методам регулирования выходных параметров;
исследовать связи, существующие между предельно достижимыми для различных структур МПЭ с ИМ-2 качественными характеристиками и параметрами их силовой части, в общем случае минимизированной по критерию объем-тепло, для чего разработать условия устойчивости устройств данного класса в случаях как стационарной, так и периодически нестационарной структуры неизменяемой части (НЧ) произвольного порядка;
сформулировать принципы структурного и параметрического синтеза МПЭ с ИМ-2 как многоконтурных систем регулирования, ориентированных на получение требуемого качества выходных параметров устройства, для чего разработать методы учета нелинейностей, присущих применяемым в них методам регулирования.
-
Разработать принципы организации оптимального оперативного контроля параметров в процессе производства, базирующиеся на компромиссе между количеством собираемой информации и достоверностью отражения с ее помощь текущего качества изделия, ориентированные на постоянное отслеживание требований потребителя на всех этапах производства.
-
На основе предложенной теории проектирования и контроля разработать и внедрить оптимальные, с точки зрения заказчика, устройства МПЭ с ИМ-2, характеризующиеся повышенными массо-объемными показателями и высоким качеством выходных параметров.
-
На основе предложенных принципов разработать и внедрить автоматизированную систему контроля параметров изделий непосредственно в процессе их производства.
Научная повита. В диссертационной работе были получены следующие новые научные результаты.
1. Разработана новая обобщенная структурная схема типовых МПЭ с ИМ-2 и на ее основе предложена универсальная математическая модель,
7 позволяющая, в отличие от известных, унифицировать подход к описанию и
исследованию динамических свойств устройств как со стационарной, так и с
периодически нестационарной структурой НЧ.
-
Решена задача определения областей устойчивости установившегося режима работы МПЭ с ИМ-2 для случаев как стационарной, так и периодически нестационарной структуры силовой части, а для устройств со стационарной структурой - также задача обеспечения устойчивости "в целом", что позволило впервые исследовать зависимости областей устойчивой работы типовых устройств от их параметров.
-
Решена задача учета и количественной оценки нелинеиностеи, свойственных типовым методам регулирования выходного параметра в установившихся и переходных режимах работы устройств МПЭ с ИМ-2.
-
Предложен метод структурного и параметрического синтеза устройств данного класса как многоконтурных систем регулирования, для чего решена задача разграничения параметров качества МПЭ с ИМ-2 на группы с точки зрения общности методов их технической реализации.
-
Сформулированы принципы выделения групп контролируемых в процессе производства электронных средств параметров для проведения постоянного, оперативного и выборочного статистического контроля качества изделий и разработаны методы автоматизации процессов их сбора, хранения и обработки.
К практической значимости проведенного исследования следует отнести следующее.
-
Решена задача структурного и параметрического синтеза МПЭ с ИМ-2, оптимизированных по критерию объем-тепло по заданным показателям качества, для чего выявлены функциональные зависимости предельных качественных показателей основных типов устройств данного класса от параметров их НЧ, а также различных типов цепей как последовательной, так и параллельной коррекции, что позволило сформулировать принципы их проектирования как многоконтурных систем регулирования.
-
Разработан принцип двухуровневого контроля электрических характеристик
интегральных схем, основанный на разбиении всех измеряемых при
текущем и выходном тестировании параметров на две самостоятельные
группы. Первая группа параметров предназначена для постоянного, а вторая
для выборочного статистического контроля, причем сбор статистической
информации проводится только в случае, если по результатам измерения
параметров первой группы установлено недопустимое отклонение качества
изделий от эталона. Это позволило путем сокращения объема постоянно
выполняемых измерений как минимизировать время контроля, так и
получить достоверную информацию о качестве выпускаемых изделий.
-
Разработаны и внедрены в производство унифицированные интегрально-гибридные источники вторичного электропитания с выходной мощностью 1, 3, 5 и 30 Вт, работающие от сети постоянного тока с напряжением 22...34 В и обеспечивающие получение выходных напряжений 5, 6, 9, 12,15, 24 и 27 В при удельной мощности от 74 до 167 Вт/дм3, а также многоканальные интегрально-гибридные источники, работающие от сети постоянного тока с напряжением 20...30 В, суммарной выходной мощностью 65 Вт и удельной мощностью 175 Вт/дм3. Все устройства оптимизированы по критерию объем-тепло и обеспечивают высокое качество выходных параметров. На их основе разработан ряд систем энергоснабжения навигационных комплексов летательного аппарата (системы И-21, И-42 и Л-41).
-
Разработана и внедрена микропроцессорная информационно-измерительная система двухуровневого контроля электрических параметров интегральных схем в процессе их производства, обеспечивающая как постоянный, оперативный, так и выборочный статистический контроль, обработку, наглядное представление и долговременное хранение.информации, а также выполняющая функции учета наработки отдельных измерительных установок с целью систематизации их регламентного технического обслуживания.
На защиту автором выносятся следуюшие новые результаты и научные
положения.
1. Новые математические модели МПЭ с ИМ-2 как со стационарной, так и с
9 периодически нестационарной структурой НЧ, позволившие унифицировать как описание, так и исследование качественных показателей устройств данного класса.
2. Условия устойчивости установившегося режима работы, полученные для
МПЭ с ИМ-2 как со стационарной, так и с периодически нестационарной НЧ произвольного порядка, а также условия устойчивости "в целом" для структур со стационарной НЧ и выявленные на их основе зависимости предельных качественных показателей основных типов МПЭ с ИМ-2 от характеристик НЧ и рекомендации по практическому применению этих устройств в различных условиях эксплуатации.
3. Метод структурного и параметрического синтеза устройств МПЭ с ИМ-2
как многоконтурных систем, базирующийся на принципе разбиения их показателей качества на группы с точки зрения общности методов технической реализации и методах определения их статических и динамических характеристик, основанных на предложенных принципах качественной и количественной оценки типовых нелинейностей, обусловленных используемым в устройствах данного класса способом регулирования выходного параметра.
-
Новые принципы построения и автоматизированная система двухуровневого контроля электрических параметров интегральных схем непосредственно в процессе производства с выделением групп параметров для оперативного и углубленного исследования свойств выпускаемых изделий, а так же методика его проведения.
-
Ряд унифицированных, оптимизированных по критерию объем-тепло и
внедренных в производство интегрально-гибридных источников вторичного электропитания, предназначенных для систем электроснабжения комплексов аппаратуры летательного аппарата.
Апробация результатов работы. Материалы, составляющие основу
диссертации, обсуждались на следующих конференциях:
научно-техническая конференция "Повышение эффективности устройств преобразовательной техники" Киев 1972 г.;
2-я научно—техническая конференция "Чистота и микроклимат - 88"
Зеленоград 1988 г.;
межотраслевая научно-техническая конференция "Применение микропроцессорных систем в управлении производством изделий электронной техники" Москва 1988 г.;
международный симпозиум INDF - 89. Минск. 1989 г.;
3-я международная конференция "Электромеханика и электротехнологии" МКЭЭ-98, Россия, Клязьма, 1998
Публикации. Материалы и результаты диссертации нашли отражение в следующих публикациях: 2 монографиях, 2 учебниках, 38 статьях и тезисах докладов, 20 авторских свидетельствах и 3 отчетах по НИР. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит их введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений
