半导体基础功率模块与离散元件的比较

半导体基础功率模块因其相对于传统离散元件的诸多优势而变得越来越突出。在不断发展的功率电子领域，选择半导体基础功率模块与离散元件对效率、可靠性和整体系统性能有着显著的影响。

 

半导体基础功率模块的优势

 

半导体基础功率模块将多个组件集成到单一封装中，与离散元件相比设计更为紧凑。模块可以轻松集成从改善开关行为的电容器到电流测量的分流器和减少杂散电感的组件。

 

图1：带有集成电容器的IGBT模块

 

它们在尺寸受限和空间有限的电子系统中的空间效率至关重要，例如书籍大小的频率逆变器、可再生能源系统和不间断电源。半导体的放置确保了最大限度利用效率的小换流环路，并实现了一些用离散元件难以实现的功能。

 

另一个方面是提高了可靠性。在许多应用中，可靠性比价格更重要。传统的离散元件容易出现焊点故障和热应力等可靠性问题。另一方面，半导体基础功率模块采用先进的封装技术设计，提高了热性能并减少了元件故障的风险。它们提高的可靠性对于系统停机不是选项的关键任务应用至关重要。

 

可靠性包括热性能。功率模块通常采用先进的热管理解决方案，如直接键合技术，以更高效地散热。这降低了它们的工作温度，延长了组件的使用寿命，并确保了长时间的稳定性能。不同的直接铜键合(DCB)材料具有不同的热属性。虽然使用广泛的材料是Al2O3，但AlN例如，提供了非常高的热导率。因为更加脆弱，Si3N4是两种材料的良好折衷。

 

简化集成和降低组装成本是一个重要话题。集成离散组件需要仔细考虑组件的放置、布线和热管理。半导体基础功率模块通过将多个组件集成到单一封装中简化了集成过程。这降低了组装成本，简化了制造过程，使电子系统更快地上市。由于模块带有对散热器的电气绝缘，可以附带一层预涂的热界面材料，并且只需要有限数量的螺丝即可安装，因此可以省略几个步骤。

 

最后，与离散元件相比，功率模块实现了更高的功率密度。通过在紧凑的形式因素中紧密包装组件，半导体基础模块可以在更小的空间内提供更多的功率。这在功率效率和尺寸限制关键的应用中特别有优势，例如太阳能逆变器和便携式电子设备如焊接机，以及嵌入式驱动应用中更为关键。

 

图2：标准与先进焊料功率循环性能的比较

 

机械比较

 

在离散元件和功率模块的机械处理和组装方面进行更深入的比较揭示了它们之间巨大的差异。模块本质上是预测试的子系统。它们的制造商保证所有发货的部件都通过了严格的机械和电气测试。

 

另一方面，离散元件需要许多额外的、大部分是手工的过程，这些过程影响它们的可靠性：需要弯曲引脚，应用热界面材料，在一些情况下，还需要在散热器上增加额外的电气隔离。要处理的组件包括需要组装、固定和焊接到PCB上，然后安装到散热器上的通孔组件，如TO-220、TO-264等。

 

它们被连接以形成逆变器阶段、PFC电路或刹车斩波器。驱动应用通常使用桥式整流器。挑战总是尽可能使组装无压力，这很难，因为离散组件有不同的高度。

 

图3：应用于离散元件和电源模块

 

电气行为比较

 

它们的电气行为比较进一步揭示了离散组件的缺点。一方面，离散组件不能被定位以在换流路径的情况下最优地运行。

 

另一方面，由于它们的物理尺寸，离散组件在PCB上需要更多空间，不能像功率模块中使用的IGBT和二极管那样彼此靠得很近。因此，与功率模块相比，离散组件的功率密度较低。

 

图3突出显示了在小功率应用中使用离散组件和功率模块的差异。

 

此外，并联离散组件需要考虑更多的组件，而功率模块可以简单地用下一个更大的外壳尺寸替换。为了进一步方便处理，模块可以提供带有焊接引脚、压装引脚，并且根据要求，带有预涂相变材料。