パワーモジュール

パワーモジュールまたはパワーエレクトロニクスモジュールは、通常、パワー半導体デバイスである複数のパワーコンポーネントを物理的に収容します。これらのパワー半導体（いわゆるダイ）は、通常、パワー半導体を搭載し、必要に応じて電気的および熱的接触と電気絶縁を提供するパワーエレクトロニクス基板上にはんだ付けまたは焼結されます。TO-247 やTO-220などのプラスチックハウジング内の個別のパワー半導体と比較すると、パワーパッケージはより高い電力密度を提供し、多くの場合、より信頼性が高くなります。

単一のパワー電子スイッチ（MOSFET、IGBT、BJT、サイリスタ、GTO、JFET）またはダイオードを含むモジュールの他に、従来のパワーモジュールには、トポロジと呼ばれる特定の構造の電気回路を形成するために接続された複数の半導体ダイが含まれています。モジュールには、スイッチング電圧のオーバーシュートを最小限に抑えるセラミックコンデンサや、モジュールの基板温度を監視する NTCサーミスタなどの他のコンポーネントも含まれています。モジュールに実装されている広く利用可能なトポロジの例は次のとおりです。

• スイッチ（MOSFET、IGBT ）、逆並列 ダイオード付き。
• 4 個 (1 相) または 6 個 (3 相) のダイオードを含むブリッジ整流器
• ハーフブリッジ^[1]（インバータレッグ、2つのスイッチとそれに対応する逆並列ダイオード）
• Hブリッジ（4つのスイッチと対応する逆並列ダイオード）
• ブーストまたは力率補正（1つ（または2つ）のスイッチと1つ（または2つ）の高周波整流ダイオード）
• ANPFC (2 つのスイッチとそれに対応する逆並列ダイオード、および 4 つの高周波整流ダイオードを備えた力率改善レグ)
• 3 レベル NPC (I タイプ) ( 4 つのスイッチとそれに対応する逆並列ダイオードを備えたマルチレベルインバータレグ)
• 3 レベル MNPC (T タイプ) ( 4 つのスイッチとそれに対応する逆並列ダイオードを備えたマルチレベルインバータレグ)
• 3 レベル ANPC (6 つのスイッチとそれに対応する逆並列ダイオードを備えたマルチレベルインバータレグ)
• 3レベルH6.5 ^[2] - （6つのスイッチ（4つの高速IGBT/2つの低速IGBT）と5つの高速ダイオードで構成）
• 三相インバータ^[3]（6つのスイッチとそれに対応する逆並列ダイオード）
• 電源インターフェースモジュール (PIM) - (入力整流器、力率補正、インバータ段で構成)
• インテリジェント パワー モジュール (IPM) - (専用のゲート ドライブ保護回路を備えたパワー ステージで構成されます。入力整流器および力率補正ステージと統合することもできます。)

従来のネジ接点に加えて、モジュールとパワーエレクトロニクスシステムの他の部分との間の電気的接続は、ピン接点（PCBにはんだ付け）、PCBビアに押し込まれたプレスフィット接点、PCB の接触領域を本質的に押すスプリング接点、または腐食防止表面領域が直接押し付けられる純粋な圧力接触によっても実現できます。^[4] プレスフィットピンは、はんだ付けを必要とせず、非常に高い信頼性を実現し、取り付けプロセスを容易にします。^[5]プレスフィット接続と比較して、スプリング接点には、たとえばモジュールの検査や交換など、接続を複数回簡単かつ非破壊的に取り外すことができるという利点があります。^[6]両方の接点タイプは、比較的断面積が小さく接触面が小さいため、電流搬送能力がかなり限られています。したがって、モジュールには、電力接続ごとに複数のピンまたはスプリングが含まれることがよくあります。

現在、研究開発では、コスト削減、電力密度の向上、信頼性の向上、寄生集中素子の削減に重点が置かれています。これらの寄生素子は、回路部品間の不要な容量と回路トレースのインダクタンスです。どちらも、たとえばモジュールをインバータとして動作させる場合、モジュールの電磁放射 ( EMR ) に悪影響を及ぼす可能性があります。寄生素子に関連するもう 1 つの問題は、パワー半導体のスイッチング動作とスイッチング損失 [de]に悪影響を与えることです。そのため、メーカーはコストを低く抑えながらモジュールの寄生素子を最小限に抑え、自社のモジュールをセカンド ソース (他のメーカー) のモジュールと高い互換性を維持するよう取り組んでいます。最適化のさらなる側面は、熱源 (ダイ) とヒートシンク間のいわゆる熱経路です。熱は、はんだ、DCB、ベースプレート、熱伝導材料 ( TIM )、ヒートシンクの大部分などのさまざまな物理層を通過して、空気などの気体媒体または水や油などの流体媒体に伝達される必要があります。現代のシリコンカーバイドパワー半導体はより大きな電力密度を示すため、熱伝達に対する要件が高まっています。

電源モジュールは、産業用モータードライブ、組み込みモータードライブ、無停電電源装置、AC-DC 電源、溶接機電源などの電力変換装置に使用されます。

パワーモジュールは、風力タービン、太陽光発電パネル、潮力発電所、電気自動車（EV） などの再生可能エネルギー用のインバーターにも広く使用されています。

最初の無電位パワーモジュールは1975年にセミクロン社によって市場に導入されました。^[7]このモジュールは現在も生産されており、パワーモジュールのライフサイクルについての概要が示されています。

• パワーパック（ドライブトレイン）
• パワーエッグ
• 原動力

ウィキメディア・コモンズには、 IGBTに関連するメディアがあります。

• セミクロン アプリケーション マニュアル パワー セミコンダクタ (2015): パワー半導体のアプリケーションとパワー モジュール技術に関する詳細な情報
• Eltek Flatpack2 48V HE パワーモジュールの例; 高効率整流器