Введение

Модуль питания или модуль силовой электроники обеспечивает физическое заключение нескольких силовых компонентов, обычно силовых полупроводниковых приборов. Эти силовые полупроводники (так называемые кристаллы) обычно припаиваются или спекаются на силовую электронную подложку, которая несет силовые полупроводники, обеспечивает электрический и тепловой контакт, а также электрическую изоляцию при необходимости. По сравнению с дискретными силовыми полупроводниками в пластиковых корпусах, таких как TO 247 или TO 220, силовые модули обеспечивают более высокую плотность мощности и во многих случаях более надежны.

Технологии электрических соединений

Помимо традиционных винтовых контактов, электрическое соединение между модулем и другими частями силовой электронной системы может быть реализовано также с помощью штыревых контактов (припаянных к печатной плате), контактов с запрессовкой, вставляемых в сквозные отверстия печатной платы, пружинных контактов, которые прижимаются к контактным площадкам печатной платы, или за счет чистого контактного давления, когда коррозионностойкие поверхности непосредственно прижимаются друг к другу. Контакты с запрессовкой обеспечивают очень высокую надежность и упрощают процесс монтажа, исключая необходимость пайки. По сравнению с соединениями с запрессовкой, пружинные контакты обладают преимуществом в виде возможности многократного, неразрушающего разъединения соединения, например, для проверки или замены модуля. Оба типа контактов имеют относительно ограниченную токопроводящую способность из-за их сравнительно небольшой площади поперечного сечения и малой площади контакта. Поэтому модули часто содержат несколько штырей или пружин для каждого электрического подключения.

Текущие исследования и разработки

В настоящее время основное внимание в области НИОКР уделяется снижению стоимости, увеличению плотности мощности, повышению надежности и уменьшению паразитных параметров. Эти паразитные параметры – это нежелательные емкости между элементами схемы и индуктивности проводников схемы. Оба фактора могут негативно влиять на электромагнитное излучение (ЭМИ) модуля, например, при работе в качестве инвертора. Другая проблема, связанная с паразитами, – их негативное влияние на характеристики переключения и потери при переключении силовых полупроводников. Поэтому производители стремятся минимизировать паразитные параметры в своих модулях, сохраняя при этом низкую стоимость и обеспечивая высокую степень взаимозаменяемости с модулями других производителей (второго источника). Дополнительным аспектом оптимизации является так называемый тепловой путь от источника тепла (кристалла) к радиатору. Тепло должно проходить через различные физические слои, такие как припой, DCB-подложка, базовая пластина, термоинтерфейсный материал (TIM) и основной объем радиатора, пока не будет передано в газообразную среду, например, воздух, или жидкую среду, например, воду или масло. Поскольку современные силовые полупроводники на основе карбида кремния обладают большей плотностью мощности, требования к теплоотводу возрастают.

Приложения

Модули питания используются в оборудовании для преобразования энергии, таком как промышленные приводы двигателей, встроенные приводы двигателей, источники бесперебойного питания, источники питания переменного и постоянного тока, а также источники питания для сварочных аппаратов. Модули питания также широко применяются в инверторах для возобновляемых источников энергии, таких как ветряные турбины, солнечные панели, приливные электростанции и электромобили (EV).

История

Первый модуль свободной мощности был представлен на рынке компанией Semikron в 1975 году. Он до сих пор производится, что позволяет судить о сроках службы силовых модулей.