2.4.1　电源模块、功率模块的简介

随着科学技术的发展及能源消耗的日益増加，能源需求与生态环境之间的矛盾愈演愈烈，电力电子技术以其高可靠、高速度、高效率的能源转换等优势逐渐成为节能减排的关键。在目前的工程应用中，要求电力电子装置效率更高、体积更小、使用寿命更长、成本更低。为了实现这些目标，可采用系统集成的方法，将多种不同的电力电子元器件封装在同一个体系内，并按照最优的系统结构设计原则制作成标准化模块或组件。这些模块或组件统称为电力电子模块。

电源模块可以直接组装在电力电子设备上为其提供动力，主要包括脉宽调制器、垂直双极性晶体场效应管、电容、电阻、电感、变压器等元器件。其中，功率转化模块是核心部件。功率转化模块又包括功率元器件、控制电路、传感器、驱动电路、保护电路、辅助电源及无源元器件等。其中，功率元器件是实现电能变换和控制的关键。

早期的功率半导体一直为单芯片封装结构，即在一个封装体中只有一个芯片（二极管、三极管、IGBT及晶闸管）。随着对大功率、耐高压、大电流、高效率的需求，多个芯片封装在一起的功率模块逐渐成为主流趋势，在此基础上又发展出包括控制电路在内的智能模块。

图2-16所示为典型电源模块、功率模块封装设计示意图，从上至下主要有外壳（Housing）、负载端子（Load Terminals）、控制接触部件（Control Contacts）、互连部件（Interconnects）、控制连接器、陶瓷基板（DBC）、焊料（Solders）、底座（Base plate）。

绝缘栅双极晶体管（Insulated-Gate Bipolar Transistor，IGBT）模块是由IGBT与续流二极管芯片（Free Wheeling Diode Chip，FWD）采用特殊封装制成的模块化半导体元器件，具有MOS管的输入、双极输出功能，可直接应用于变频器、不间断电源（UPS）等设备。IGBT是能源转化和传输的核心器件，是目前功率半导体元器件市场的主流产品，在航空航天、轨道交通、智能电网、电动汽车及电力设备领域应用极广。

图2-16　典型电源模块、功率模块封装设计示意图

图2-17所示为IGBT功率模块及其应用：IGBT高能耗模块主要应用于高功率的工业和交通运输领域；IGBT中低能耗模块通常用于家电和工厂电气设备。

图2-17　IGBT功率模块及其应用

电源模块、功率模块在封装过程中主要考虑的因素：封装结构设计、基板及焊料等封装材料的选择、元器件与基板间互连工艺、封装工艺流程的制定等。此外，元器件模块的封装设计原则包括以下内容。

（1）尽可能减小不同元器件间互连导致的寄生影响。

（2）元器件能够承载大电流，热扩散通道设计合理，元器件能够通过环境可靠性相关试验。

（3）可在使用环境中承受外界载荷。

（4）元器件综合使用性能可达到较高水平。

（5）兼顾体积小和制造成本低的要求。