功率模组
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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)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。
模组拓朴
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:
- 开关(MOSFET、IGBT)搭配反并联二极管。
- 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
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)、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
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
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
第一个绝缘的功率模组是由Semikron在1975年导入市场(SEMIPACK)[6]。
制造商
相关条目
参考资料
- ^ 1.0 1.1 Vincotech. Product Search. Vincotech. [2019-12-15]. (原始内容存档于2019-12-12).
- ^ 存档副本 (PDF). [2019-12-12]. (原始内容存档 (PDF)于2019-02-14).
- ^ 存档副本. [2019-12-12]. (原始内容存档于2016-04-24).
- ^ http://www.infineon.com/pressfit-product-information[失效链接]
- ^ http://www.semikron.com/dl/service-support/downloads/download/semikron-flyer-skim-2014-04-08.html[永久失效链接]
- ^ http://www.semikron.com/dl/service-support/downloads/download/semikron-application-manual-power-semiconductors-english-en-2010-11.pdf[永久失效链接]
- ^ http://www.vincotech.com (页面存档备份,存于互联网档案馆) Vincotech
- ^ https://de.wikipedia.org/wiki/Vincotech (页面存档备份,存于互联网档案馆) Wikipedia Vincotech Article (In German)
- ^ Power Semiconductors - Introduction to Semiconductor Products - Fuji Electric. www.fujielectric.com. [2019-12-15]. (原始内容存档于2019-06-29).
外部链接
- Semikron Application Manual Power Semiconductors[永久失效链接]: extensive information about power semiconductor application and power module technology
- Eltek Flatpack2 48V HE Example of Power module; a high efficiency rectifier