功率模组

✍ dations ◷ 2025-06-28 18:16:14 #功率电子学

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。

有些功率模组中会包括单一的功率元件(例如MOSFET、IGBT、BJT、晶闸管、GTO、JET)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:

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。压入式触点有高可靠度,而且容易组装,不用焊接,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)。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。

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。

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,或是电动车(EV)的动力来源。

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

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