什么是电源模块？电源模块应用、类型和电源模块故障

由技术支持工程师 Stavros Skourakis 审查（2024年3月）

从电动汽车到可再生能源，电源模块广泛应用于电子解决方案和应用中。请继续阅读，了解市场上不同类型的电源模块、它们的用途、电源模块为何有时会出现故障以及如何正确维护它们。我们还将探讨电源模块市场的未来。

市场上有几种类型的电源模块。常见的电源模块类型包括：

• 绝缘栅双极型晶体管（IGBT）电源模块。这些半导体器件用作开关，以防止或启用电流流动。它们被用于工业电机驱动、电动汽车、火车和太阳能逆变器以及不间断电源和能量存储系统中。IGBT电源模块将电力从一种形式转换为另一种形式，例如从交流电到直流电
• 金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）电源模块。MOSFET是一种非常常用的晶体管类型。MOSFET电源模块用于控制功率电子电路中的电流。它们几乎不需要输入电流来控制负载电流。MOSFET专为开关应用而设计。它们用于汽车电机和充电应用
• 智能电源模块。智能电源模块提供强大而简单的控制和保护，以优化性能。该模块基于带有电源管理控制器的三相逆变电路，该控制器包含门极驱动电路和保护元件。与传统IGBT模块相比，使用智能电源模块设计电源管理电路更容易
• 碳化硅模块。这些模块包括碳化硅MOSFET和碳化硅二极管。它们用于太阳能逆变器的直流-直流阶段。碳化硅被用作半导体，因为它的效率高，能够在高温和高电压下运行，相较于传统的硅更具有优势
• 硅/碳化硅混合模块。这些电源模块结合了硅二极管、IGBT和碳化硅二极管。太阳能逆变器使用这种类型的电源模块将直流转换为交流电。它们还广泛用于不间断电源和能量存储系统

IGBT电源模块具有几个特点，使它们成为工业中主要的电源模块。它们能够快速地开关电力，具有高效率和良好的温度性能。该模块通常由IGBT组成，电气配置包括半桥、斩波器、增压器、六组等等。

IGBT逆变器通常用于将可再生能源的电力转换为电网供电。IGBT逆变器也广泛用于将电动汽车电池的电力从直流转换为交流，驱动电动汽车的电机。

除了逆变器、电源、工业电机驱动和交通运输外，还有一系列其他电源模块应用，包括：

• 医疗电子
• 家用电器
• 焊接设备
• 电池充电
• 供暖、通风和空调系统控制
• 电镀设备
• 电梯
• 水泵

电源控制模块可能因各种原因而发生故障。它们可能因过热、过电流或电压尖峰而故障。导致故障的一个常见原因是模块内热膨胀系数（CTE）不匹配，导致焊接疲劳、元件应力、开裂或硅等脆性材料断裂。造成电压浪涌和尖峰的原因多种多样。

这意味着热管理是稳定散热并有效防止电源模块达到非常高温的重要方面，以防止元件故障。在IGBT电源模块内管理产生的热量非常关键，以免影响运行。

事实上，热管理可能是防止电源模块修复需求的重要因素。电力电子模块应设计成在运行过程中尽可能有效地去除积聚的热量。如果允许电源模块元件加热，其长期可靠性将会受到影响。焊接在一起但具有不同CTE的表面将会产生机械应力，这可能导致焊接裂纹，从而导致设备故障。

电源模块的故障分析显示，大多数故障发生在安装后不久，可能是由于制造缺陷或错误安装。可以进行测试来帮助预测故障，并了解对特定类型的模块使用多个周期的影响。例如，在测试环境中加速电源循环有助于工程师确定当电源模块持续承受电负载时故障的可能性。这也帮助工程师了解电源模块内焊接点和热机械应力的性能。

请务必记住，如果操作和维护不当，电源模块可能会有危险。维护应由制造商的授权工程师或技术人员进行。应定期进行电源模块维护，包括清除灰尘和任何其他污染物。应检查电缆是否有腐蚀或损坏，并在必要时进行更换。定期检查电源模块的通风系统至关重要，因为电源模块过热可能导致意外故障。如果更换电子模块元件，请确保电源模块外壳内的所有螺丝和固定件已正确拧紧。

在全球范围内，由于电动汽车的使用日益增多以及可再生能源资源融入电网，电源模块市场正在快速增长。MOSFET和IGBT电源模块近年来已成为市场主导型电源转换器，并且开发新的、甚至更高功率输出设计的电源模块是未来的关键技术趋势。应用包括可再生能源和电力传输。

此外，市场上还有新型高温碳化硅电源模块面世。这些类型的模块克服了热膨胀系数不同导致的热机械应力问题。

对于电动车辆来说，更先进的电源模块设计有助于在将电池电力转换为三相交流以驱动车辆推进系统等应用中实现更高功率密度。基于氮化镓晶体管的电源模块预计将有助于通过减小传动系统的尺寸、重量和成本来推动下一代电动车辆的发展。

因此，电源模块不仅是产业的重要组成部分，也在能源转型中发挥着关键作用。随着Better World 产品继续推动减碳经济，它们作为电力转换和能源转型手段的重要性在未来几十年内必将与日俱增。

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