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功率模組

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高功率的絕緣柵雙極電晶體功率模組(圖中功率容量是3300V,1200A)
IGBT功率模組內部,各半導體的裸晶用打線接合的方式連接,外部的接腳接到封裝結構中

功率模組(power module)可以將各個電力電子學元件(多半是功率半導體元件英語power semiconductor device)放在同一封裝中。其中的功率半導體(稱為裸晶)會用銲接或是燒結的方式固定在乘載功率半導體的基板英語power electronic substrate上,依需要提供熱接觸、電氣導通或是絕緣。分立功率半導體多半是TO-247或TO-220英語TO-220的塑膠包裝,相較起來,功率模組的功率密度較高,而且在許多領域中比分立元件要可靠。

模組拓樸

有些功率模組中會包括單一的功率元件(例如MOSFETIGBTBJT晶閘管GTOJET)或是二極管,不過大多數的功率模組中會包括多個互相連接的裸晶,以形成特定的電路,這個稱為拓樸。功率模組中也可能包括其他的元件,例如減小切換電壓超調的陶瓷電容,或是監控基板溫度的溫度感測器。常見的模組拓樸有:

  • 開關(MOSFETIGBT)搭配反並聯英語Antiparallel (electronics)二極管。
  • 二極管電橋,其中包括四個(單相)或六個(三相)二極管
  • 半橋[1]逆變器的一路,有二個開關以及其反並聯二極管)
  • H橋(四個開關以及其反並聯二極管)
  • boost電路或是功因修正電路(一或二個開關,配合一或二個高速的整流二極管)
  • ANPFC(功因修正電路,有二個開關以及其反並聯二極管,四個高速的整流二極管)
  • 三電平NPC(I型)(多電平逆變器,有四個開關以及其反並聯二極管)
  • 三電平NPC(T型)(多電平逆變器,有四個開關以及其反並聯二極管)
  • 三電平ANPC(多電平逆變器,有六個開關以及其反並聯二極管)
  • 三電平H6.5[2](有六個開關,分別是四個快速的IGBT,二個慢速的IGBT,以及五個快速二極管)
  • 三相逆變器[1]:也稱為6-in-1,包括六個開關以及其反並聯二極管)
  • Power Interface Module,簡稱PIM(包括輸入整流器,功因修正電路以及逆變器極)
  • 智能功率模組(Intelligent Power Module)、簡稱IPM(包括功率級以及其驅動保護電路,也可能包括輸入整流器及功因修正電路)

電氣互連技術

有關功率模組和其他電路系統的連接,最傳統的是用螺絲鎖固的接觸,此外,也有用插針觸點(焊在印刷電路板上)、壓入式觸點壓到電路板上(電路板的貫孔英語Via (electronics))、內在提供對電路板壓力的彈簧觸點、或是利用純壓力接觸,讓兩塊耐腐蝕表面區域接合在一起[3]。 壓入式觸點有高可靠度,而且容易組裝,不用焊接[4],相較於壓入式觸點,彈簧觸點的好處是容易從電路板上拆下,而且是非破壞性的拆下,可以拆換數次(例如模組的檢測或是更換)[5]。壓入式觸點及彈簧觸點的缺點都是因為其電氣接觸面積小,電流額定也比較小,因此有些模組可能會將多個壓入式觸點或彈簧觸點並聯,以加大電流。

技術發展趨勢

目前功率模組的技術發展趨勢是降低成本,提昇功率密度、提昇可靠度以及減少雜散元件的影響。雜散元件是在電路之間不想要的電容(雜散電容)或是導線之間不想要的電感(雜散電感)。若運用在逆變器上,這些可能會造成電磁輻射(EMR)。另一個雜散元件的缺點是對切換特性的影響,而且會加大切換損失。因此,製造商會設法減少雜散元件,並且維持低成本,而且和其他廠商的元件保持高度的相容性,以便成為替代料源 更進一步功率模組最佳化的主題是從熱源(裸晶)到散熱片之間的散熱途徑。熱需要通過許多不同的材質,例如焊錫、導熱絕緣基板、基板、散熱膏以及散熱片本體,最後才傳到像是空氣、或是水或油等液態介質中。新一代的碳化矽功率電晶體其功率密度更大,因此對熱傳的需求也會更大。

應用

功率模組可以用在功率轉換的設備中,例如變頻器、嵌入式電機驅動器、不間斷電源、直流-交流電源供應及焊接機電源。

功率模組也用在可再生能源風力發動機太陽能發電)中的逆變器中,或是電動載具(EV)的動力來源。

歷史

第一個絕緣的功率模組是由Semikron英語Semikron在1975年導入市場(SEMIPACK)[6]

製造商

相關條目

參考資料

外部連結