揭露半导体功率器件——PIM功率集成模块，一文读懂它的所有

前言

在电力电子领域，高电压、大电流场景对功率器件的集成度、可靠性与散热性能提出了严苛要求。PIM（功率集成模块）通过“多器件高密度封装”的高集成设计，将分立的功率半导体、辅助电路与散热结构整合为单一功能单元，成为解决传统分立方案体积大、效率低、可靠性差等痛点的核心器件，广泛应用于工业驱动、新能源、交通电气化等领域。

一定义

 

 

PIM（Power Integrated Module）：功率集成模块，核心是将电力转换所需的关键器件——如 IGBT（绝缘栅双极型晶体管）、续流二极管、整流桥、制动单元等功率器件，以及栅极驱动电路、RC吸收电路、温度检测元件（如NTC热敏电阻）等——通过高密度封装技术集成在单个外壳内，形成完整的“功率转换单元”。主要用于高效处理高电压和高电流，提供基本的功率转换功能，可以减少系统的体积和复杂性，提高可靠性和效率。

特别值得注意的是，PIM（功率集成模块）与IPM（Intelligent Power Module，智能功率模块）两者极易混淆，在电力电子领域中，虽均为功率集成器件，但在“集成度”和“智能性”上存在较大差异：

特性	PIM（功率集成模块）	IPM（智能功率模块）
核心集成内容	功率器件+基础辅助电路的集成	功率器件+驱动及完整保护电路的集成
集成度	高	非常高
设计难度	用户需自行设计外部驱动板和保护电路	用户只需提供控制信号和电源，设计极其简化
灵活性	相对较高，用户可自定义驱动参数	相对较低，保护阈值等由模块内部设定
适用场景	适用于高功率转换、灵活调整参数的场景	适用追求高可靠性，高要求高复杂设计的场景

可以简单理解为，IPM就是更“智能”、更“完整”的PIM——即IPM是在PIM的基础上额外集成了故障检测与主动保护功能，更适合对可靠性要求苛刻、追求快速量产的场景；而PIM则以“灵活性”为核心，适合需要根据实际需求定制控制策略的中高端工业应用。

 

二工作原理与内部结构

 

 

PIM模块的核心思想是“化零为整”。传统的功率电路需要工程师手动在电路板上或散热器上组装大量的分立元件，如IGBT/晶闸管、二极管、保护电路等，工序繁杂，成本高且效率低。PIM模块则将一个完整功率转换系统所需的核心部件预先集成封装好。

1.PIM模块一个典型的拓扑是CIB（Converter-Inverter-Brake）结构：

整流桥（转换器）：将输入的三相交流电通过二极管整流桥转换为直流电，存入直流母线电容，关键元件是超快恢复二极管，减少整流过程中的反向恢复损耗，提升效率。

逆变桥：在栅极驱动信号（PWM）控制下，将直流母线的直流电逆变成频率和电压可调的三相交流电，以驱动电机，关键元件是沟槽场截止型 IGBT，开关损耗低，耐高压特性优（支持600V~1700V）。

制动单元（斩波器）：当电机快速减速（如电梯制动、机床急停）时，电机变为“发电机”，向直流母线反馈过剩能量，导致母线电压升高，而制动单元通过“能耗电阻”消耗多余能量，防止电压超过器件耐压值。关键元件为IGBT（作为制动开关）+续流二极管，快速响应母线电压变化。

结构简图

2.内部元件与封装工艺：

功率器件：采用沟槽场截止IGBT与超快恢复二极管，开关损耗低、热稳定性好，适配高频开关场景（如10kHz~20kHz逆变器等）。

基板技术：使用直接键合铜（Direct Bonded Copper，DBC）基板——将铜箔直接键合在陶瓷绝缘层（如Al₂O₃、AlN）上，绝缘性强（击穿电压＞10kV/mm）、导热效率高（比传统PCB高5~10倍），可快速将内部热量传导至外壳与散热器。

温度检测：集成负温度系数（NTC）热敏电阻，实时监测模块内部结温（Tj），为外部控制电路提供过温保护依据。

封装材料：采用耐高温环氧树脂或金属外壳，防护等级可达IP20，适应工业现场粉尘、湿度等恶劣环境。

三主要优势与价值

 

 

采用PIM模块能为电力电子系统设计带来多方面的提升：

1.提升系统集成度，简化设计与量产：通过将多个分立元件和内部电路连线集成在模块内部，极大简化了外围电路设计和PCB布局。无需手动焊接、调试大量分立元件，减少组装工序，提升生产效率，同时可避免人工接线误差导致的故障（如IGBT栅极虚焊）；模块引脚与散热接口标准化（如螺栓固定、压接式引脚），后续维护时可直接替换，无需重新调试电路，简化设计和量产难度。

2.优化散热性能，提升功率密度：一体化的封装和先进的散热设计（如使用DBC基板+耐高温外壳）使模块具有更低的热阻。这意味着在相同输出功率下，模块的温升更低，寿命更长；或在相同体积下，能够实现更高地功率输出，使设备更紧凑，提升功率密度。

3.降低成本与损耗及EMI辐射，提升系统可靠性：对设备制造商而言，采购一个PIM模块取代了采购和组装几十个分立元件的繁琐工序，提高了效率的同时，也降低了成本。PIM模块高集成度，减少布线损耗，内部元件间连线短，寄生电感与电阻小，开关损耗降低，同时减少EMI辐射（辐射强度降低10~15dBμV/m）；内部连线采用超声波焊接或激光焊接，避免分立方案中PCB铜箔氧化导致的接触电阻增大，模块寿命增加，系统可靠性高。

 

 

四

典型应用场景
 

PIM模块的高效和紧凑特性使其在众多领域大放异彩：

工业驱动与自动化：用于变频器、伺服驱动器、工业电机控制等，是PIM模块最经典的应用领域之一。

新能源发电：在太阳能逆变器、风电变流器中，PIM模块有助于实现高效的电能转换。

不间断电源（UPS）：为UPS提供高可靠性的整流和逆变功能，确保关键设备的持续供电。

交通电气化：应用于电动汽车的辅助逆变器、电池充电器、电动助力转向系统等。

家电与消费电子：高端变频空调、冰箱等家电的压缩机驱动也常采用PIM模块。

 

 

 

五

产品实例

 

域发挥价值

 

下面简单介绍两款金兰功率半导体的PIM模块产品：JLPI75B120RN3E7SN和JLPI35B120RN2E7SN，两者都是具有高功率和热循环能力（均为铜基板+耐高温环氧树脂外壳）的，带有NCE Gen.7沟槽场截止IGBT和发射极控制二极管，内置NTC温度传感器的功率半导体模块。

1.JLPI75B120RN3E7SN：采用LN3封装（重量300g）

 

一些基础电气特性如下

参数类别	具体参数
基本耐压与电流	集电极-发射极电压 V_CES=1200V
	逆变IGBT IC：75A（Tc=80℃）、150A（Tc=25℃）
	斩波IGBT IC：50A（Tc=80℃）、100A（Tc=25℃）
	最大脉冲电流 ICM=225A（tp=1s）
IGBT特性	饱和电压VCE (sat)：1.65~2.5V（IC=75A，VGE=15V，Tj=25℃）
	栅极阈值电压VGE(th)=5V~7V
	漏电流ICES=10μA（VGE=0V，VCE=1200V）
开关特性（Tj=25℃）	开通延迟td(on)=90ns
	上升时间tr=61ns
	关断延迟td(off)=304ns
	开关损耗：Eon=4.17mJ，Eoff=2.1mJ
二极管特性	逆变器二极管：VRRM=1200V，IF=75A，Qr=1.24μc
	整流器二极管：VRRM=1600V，IF=35A，VF=0.9V（Tj=150℃）

 

2.JLPI35B120RN2E7SN：采用LN2封装（重量180g）

 

一些基础电气特性如下

参数类别	具体参数
基本耐压与电流	集电极-发射极电压 V_CES=1200V
	额定电流 IC：35A（Tc=80℃）、70A（Tc=25℃）
	最大脉冲电流 ICM=105A（tp=1s）
IGBT特性	饱和电压VCE (sat)：1.5~2.1V（IC=35A，VGE=15V，Tj=25℃）
	栅极阈值电压VGE(th)=5.5~7.0V
	漏电流ICES=10μA（VGE=0V，VCE=1200V）
开关特性（Tj=25℃）	开通延迟td(on)=71ns
	上升时间tr=53ns
	关断延迟td(off)=261ns
	开关损耗：Eon=2.34mJ，Eoff=1.44mJ
二极管特性	逆变器二极管：VRRM=1200V，IF=35A，VF=1.80~2.70V
	整流器二极管：VRRM=1600V，IF=75A，VF=0.9V（Tj=150℃）

 

六总结

 

 

 

PIM功率集成模块通过其高集成度、结构紧凑和性能优化等特点，有效解决了传统分立功率器件方案在体积、效率和可靠性方面的挑战，已成为现代高效、高功率密度电力电子设备不可或缺的核心部件之一。其不仅简化了设计与量产流程，更在效率、可靠性、功率密度上实现突破，支撑工业自动化、新能源、交通电气化等领域的技术升级。

未来，PIM 的发展将聚焦三大方向：更高的集成度，集成传感器（如温度、电流）和自适应算法，实现故障诊断、能效优化和预测性维护，向IPM方向发展，更智能化；宽禁带材料应用，集成采用SiC（碳化硅）、GaN（氮化镓）等第三代半导体材料的器件，提升耐温（＞200℃）与开关频率（＞50kHz），适配高压平台；更先进的封装技术，采用银烧结技术替代传统焊料，用粗铜线键合替代铝电，提升性能；进行结构创新，如采用环氧树脂压铸模技术，进一步压缩模块体积，降低热阻。