基于半导体的电源模块与分立元件

基于半导体的电源模块将多个组件集成到一个封装中，与分立元件相比，设计更紧凑。模块可以轻松集成从电容器（用于改善开关行为和杂散电感）到分流器（用于电流测量）等任何组件。其空间效率对于尺寸受限和空间有限的电子系统（例如书本大小的变频器、可再生能源系统和不间断电源）至关重要。放置半导体是为了确保小型换向环路，限度地利用效率并实现一些难以通过分立元件实现的功能。

另一个方面是增强可靠性。在许多应用中，可靠性比价格更重要。传统的分立元件容易出现可靠性问题，例如焊点故障和热应力。另一方面，基于半导体的电源模块采用先进的封装技术设计，可提高热性能并降低元件故障风险。在系统不能停机的关键任务应用中，增强的可靠性至关重要。

可靠性包括热性能。电源模块通常采用先进的热管理解决方案，例如直接键合技术，以更有效地散热。这降低了其工作温度，延长了组件的使用寿命并确保了长期稳定的性能。不同的 DCB 材料具有不同的热性能。虽然 Al 2 O 3是一种广泛使用的材料，但例如 AlN 具有非常高的导热性。由于 Si 3 N 4更易碎，因此它是两种材料的良好折衷方案。

一个重要的主题是简化集成并降低组装成本。集成分立元件需要仔细考虑元件放置、布线和热管理。基于半导体的电源模块通过将多个元件整合到单个封装中来简化集成过程。这降低了组装成本并简化了制造过程，从而缩短了电子系统的上市时间。由于模块带有散热器的电气绝缘层，可以带有一层预涂的热界面材料，并且只需要有限数量的螺钉即可安装，因此可以省去几个步骤。

与分立元件相比，电源模块实现了更高的功率密度。通过以紧凑的形式紧密封装元件，基于半导体的模块可以在更小的空间内提供更大的功率。这在对功率效率和尺寸有严格要求的应用中尤其有利，例如太阳能逆变器和焊接机等便携式电子设备，在嵌入式驱动器应用中则更为关键。

 
图 2.比较标准焊料和先进焊料的功率循环能力。图片由Bodo’s Power Systems 提供

比较机制

更深入地比较分立元件和功率模块的机械性能，可以发现它们在处理和组装方面存在巨大差异。模块本质上是经过预先测试的子系统。制造商保证所有发货的部件都经过了严格的机械和电气测试。另一方面，分立元件需要许多额外的、主要是手动的流程，这些流程会影响其可靠性：需要弯曲引脚、应用热界面材料，在某些情况下，还需要为散热器添加额外的电气隔离。要处理的组件包括通孔组件，例如 TO-220、TO-264 等，这些组件需要组装、固定和焊接到 PCB 上，然后才能安装到散热器上。它们连接在一起形成逆变器级、PFC 电路或制动斩波器。驱动应用通常使用桥式整流器。挑战始终是尽可能减轻组装的压力，这可能很难，因为分立元件的高度各不相同。

 
图 3. 采用分立元件和电源模块的应用。图片由 Bodo’s Power Systems  [PDF]提供

比较电气行为

比较它们的电气行为可以发现分立元件的进一步缺点。首先，在换向路径的情况下，分立元件无法定位以发挥性能。其次，由于其物理尺寸，分立元件在 PCB 上需要更多空间，并且不能像电源模块中使用的 IGBT 和二极管那样彼此靠近放置。因此，分立元件的功率密度低于电源模块。

图3突出显示了在小功率应用中使用分立元件和电源模块之间的差异。

此外，并联分立元件需要考虑更多元件，而电源模块只需用更大尺寸的外壳替换即可。为了进一步方便操作，模块可以配备焊针、压接针，并根据要求配备预涂相变材料。