功率模组(power module)可以将各个电力电子学元件(多半是功率半导体元件英语power semiconductor device)放在同一封装中。其中的功率半导体(称为裸晶)会用焊接或是烧结的方式固定在乘载功率半导体的基板英语power electronic substrate上,依需要提供热接触、电气导通或是绝缘。分立功率半导体多半是TO-247或TO-220英语TO-220的塑胶包装,相较起来,功率模组的功率密度较高,而且在许多领域中比分立元件要可靠。

高功率的绝缘栅双极晶体管功率模组(图中功率容量是3300V,1200A)
IGBT功率模组内部,各半导体的裸晶用打线接合的方式连接,外部的接脚接到封装结构中

模组拓朴

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有些功率模组中会包括单一的功率元件(例如MOSFETIGBTBJT晶闸管GTOJET)或是二极管,不过大多数的功率模组中会包括多个互相连接的裸晶,以形成特定的电路,这个称为拓朴。功率模组中也可能包括其他的元件,例如减小切换电压超调的陶瓷电容,或是监控基板温度的温度感测器。常见的模组拓朴有:

  • 开关(MOSFETIGBT)搭配反并联英语Antiparallel (electronics)二极管。
  • 二极管电桥,其中包括四个(单相)或六个(三相)二极管
  • 半桥[1]逆变器的一路,有二个开关以及其反并联二极管)
  • H桥(四个开关以及其反并联二极管)
  • boost电路或是功因修正电路(一或二个开关,配合一或二个高速的整流二极管)
  • ANPFC(功因修正电路,有二个开关以及其反并联二极管,四个高速的整流二极管)
  • 三电平NPC(I型)(多电平逆变器,有四个开关以及其反并联二极管)
  • 三电平NPC(T型)(多电平逆变器,有四个开关以及其反并联二极管)
  • 三电平ANPC(多电平逆变器,有六个开关以及其反并联二极管)
  • 三电平H6.5[2](有六个开关,分别是四个快速的IGBT,二个慢速的IGBT,以及五个快速二极管)
  • 三相逆变器[1]:也称为6-in-1,包括六个开关以及其反并联二极管)
  • Power Interface Module,简称PIM(包括输入整流器,功因修正电路以及逆变器极)
  • 智能功率模组(Intelligent Power Module)、简称IPM(包括功率级以及其驱动保护电路,也可能包括输入整流器及功因修正电路)

电气互连技术

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有关功率模组和其他电路系统的连接,最传统的是用螺丝锁固的接触,此外,也有用插针触点(焊在印刷电路板上)、压入式触点压到电路板上(电路板的贯孔英语Via (electronics))、内在提供对电路板压力的弹簧触点、或是利用纯压力接触,让两块耐腐蚀表面区域接合在一起[3]。 压入式触点有高可靠度,而且容易组装,不用焊接[4],相较于压入式触点,弹簧触点的好处是容易从电路板上拆下,而且是非破坏性的拆下,可以拆换数次(例如模组的检测或是更换)[5]。压入式触点及弹簧触点的缺点都是因为其电气接触面积小,电流额定也比较小,因此有些模组可能会将多个压入式触点或弹簧触点并联,以加大电流。

技术发展趋势

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目前功率模组的技术发展趋势是降低成本,提升功率密度、提升可靠度以及减少杂散元件的影响。杂散元件是在电路之间不想要的电容(杂散电容)或是导线之间不想要的电感(杂散电感)。若运用在逆变器上,这些可能会造成电磁辐射(EMR)。另一个杂散元件的缺点是对切换特性的影响,而且会加大切换损失。因此,制造商会设法减少杂散元件,并且维持低成本,而且和其他厂商的元件保持高度的相容性,以便成为替代料源 更进一步功率模组最佳化的主题是从热源(裸晶)到散热片之间的散热途径。热需要通过许多不同的材质,例如焊锡、导热绝缘基板、基板、散热膏以及散热片本体,最后才传到像是空气、或是水或油等液态介质中。新一代的碳化硅功率晶体管其功率密度更大,因此对热传的需求也会更大。

应用

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功率模组可以用在功率转换的设备中,例如变频器、嵌入式电机驱动器、不间断电源、直流-交流电源供应及焊接机电源。

功率模组也用在可再生能源风力发动机太阳能发电)中的逆变器中,或是电动载具(EV)的动力来源。

历史

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第一个绝缘的功率模组是由Semikron英语Semikron在1975年导入市场(SEMIPACK)[6]

制造商

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相关条目

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参考资料

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外部链接

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