前言

在電力電子領(lǐng)域，高電壓、大電流場(chǎng)景對(duì)功率器件的集成度、可靠性與散熱性能提出了嚴(yán)苛要求。PIM（功率集成模塊）通過“多器件高密度封裝”的高集成設(shè)計(jì)，將分立的功率半導(dǎo)體、輔助電路與散熱結(jié)構(gòu)整合為單一功能單元，成為解決傳統(tǒng)分立方案體積大、效率低、可靠性差等痛點(diǎn)的核心器件，廣泛應(yīng)用于工業(yè)驅(qū)動(dòng)、新能源、交通電氣化等領(lǐng)域。

一定義

PIM（Power Integrated Module）：功率集成模塊，核心是將電力轉(zhuǎn)換所需的關(guān)鍵器件——如 IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）、續(xù)流二極管、整流橋、制動(dòng)單元等功率器件，以及柵極驅(qū)動(dòng)電路、RC吸收電路、溫度檢測(cè)元件（如NTC熱敏電阻）等——通過高密度封裝技術(shù)集成在單個(gè)外殼內(nèi)，形成完整的“功率轉(zhuǎn)換單元”。主要用于高效處理高電壓和高電流，提供基本的功率轉(zhuǎn)換功能，可以減少系統(tǒng)的體積和復(fù)雜性，提高可靠性和效率。

特別值得注意的是，PIM（功率集成模塊）與IPM（Intelligent Power Module，智能功率模塊）兩者極易混淆，在電力電子領(lǐng)域中，雖均為功率集成器件，但在“集成度”和“智能性”上存在較大差異：

可以簡(jiǎn)單理解為，IPM就是更“智能”、更“完整”的PIM——即IPM是在PIM的基礎(chǔ)上額外集成了故障檢測(cè)與主動(dòng)保護(hù)功能，更適合對(duì)可靠性要求苛刻、追求快速量產(chǎn)的場(chǎng)景；而PIM則以“靈活性”為核心，適合需要根據(jù)實(shí)際需求定制控制策略的中高端工業(yè)應(yīng)用。

二工作原理與內(nèi)部結(jié)構(gòu)

PIM模塊的核心思想是“化零為整”。傳統(tǒng)的功率電路需要工程師手動(dòng)在電路板上或散熱器上組裝大量的分立元件，如IGBT/晶閘管、二極管、保護(hù)電路等，工序繁雜，成本高且效率低。PIM模塊則將一個(gè)完整功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)所需的核心部件預(yù)先集成封裝好。

1.PIM模塊一個(gè)典型的拓?fù)涫荂IB（Converter-Inverter-Brake）結(jié)構(gòu)：

整流橋（轉(zhuǎn)換器）：將輸入的三相交流電通過二極管整流橋轉(zhuǎn)換為直流電，存入直流母線電容，關(guān)鍵元件是超快恢復(fù)二極管，減少整流過程中的反向恢復(fù)損耗，提升效率。

逆變橋：在柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)（PWM）控制下，將直流母線的直流電逆變成頻率和電壓可調(diào)的三相交流電，以驅(qū)動(dòng)電機(jī)，關(guān)鍵元件是溝槽場(chǎng)截止型 IGBT，開關(guān)損耗低，耐高壓特性優(yōu)（支持600V~1700V）。

制動(dòng)單元（斬波器）：當(dāng)電機(jī)快速減速（如電梯制動(dòng)、機(jī)床急停）時(shí)，電機(jī)變?yōu)椤鞍l(fā)電機(jī)”，向直流母線反饋過剩能量，導(dǎo)致母線電壓升高，而制動(dòng)單元通過“能耗電阻”消耗多余能量，防止電壓超過器件耐壓值。關(guān)鍵元件為IGBT（作為制動(dòng)開關(guān)）+續(xù)流二極管，快速響應(yīng)母線電壓變化。

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2.內(nèi)部元件與封裝工藝：

功率器件：采用溝槽場(chǎng)截止IGBT與超快恢復(fù)二極管，開關(guān)損耗低、熱穩(wěn)定性好，適配高頻開關(guān)場(chǎng)景（如10kHz~20kHz逆變器等）。

基板技術(shù)：使用直接鍵合銅（Direct Bonded Copper，DBC）基板——將銅箔直接鍵合在陶瓷絕緣層（如Al?O?、AlN）上，絕緣性強(qiáng)（擊穿電壓＞10kV/mm）、導(dǎo)熱效率高（比傳統(tǒng)PCB高5~10倍），可快速將內(nèi)部熱量傳導(dǎo)至外殼與散熱器。

溫度檢測(cè)：集成負(fù)溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊內(nèi)部結(jié)溫（Tj），為外部控制電路提供過溫保護(hù)依據(jù)。

封裝材料：采用耐高溫環(huán)氧樹脂或金屬外殼，防護(hù)等級(jí)可達(dá)IP20，適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)粉塵、濕度等惡劣環(huán)境。

三主要優(yōu)勢(shì)與價(jià)值

采用PIM模塊能為電力電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來多方面的提升：

1.提升系統(tǒng)集成度，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)與量產(chǎn)：通過將多個(gè)分立元件和內(nèi)部電路連線集成在模塊內(nèi)部，極大簡(jiǎn)化了外圍電路設(shè)計(jì)和PCB布局。無需手動(dòng)焊接、調(diào)試大量分立元件，減少組裝工序，提升生產(chǎn)效率，同時(shí)可避免人工接線誤差導(dǎo)致的故障（如IGBT柵極虛焊）；模塊引腳與散熱接口標(biāo)準(zhǔn)化（如螺栓固定、壓接式引腳），后續(xù)維護(hù)時(shí)可直接替換，無需重新調(diào)試電路，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和量產(chǎn)難度。

2.優(yōu)化散熱性能，提升功率密度：一體化的封裝和先進(jìn)的散熱設(shè)計(jì)（如使用DBC基板+耐高溫外殼）使模塊具有更低的熱阻。這意味著在相同輸出功率下，模塊的溫升更低，壽命更長(zhǎng)；或在相同體積下，能夠?qū)崿F(xiàn)更高地功率輸出，使設(shè)備更緊湊，提升功率密度。

3.降低成本與損耗及EMI輻射，提升系統(tǒng)可靠性：對(duì)設(shè)備制造商而言，采購(gòu)一個(gè)PIM模塊取代了采購(gòu)和組裝幾十個(gè)分立元件的繁瑣工序，提高了效率的同時(shí)，也降低了成本。PIM模塊高集成度，減少布線損耗，內(nèi)部元件間連線短，寄生電感與電阻小，開關(guān)損耗降低，同時(shí)減少EMI輻射（輻射強(qiáng)度降低10~15dBμV/m）；內(nèi)部連線采用超聲波焊接或激光焊接，避免分立方案中PCB銅箔氧化導(dǎo)致的接觸電阻增大，模塊壽命增加，系統(tǒng)可靠性高。

四

典型應(yīng)用場(chǎng)景

PIM模塊的高效和緊湊特性使其在眾多領(lǐng)域大放異彩：

工業(yè)驅(qū)動(dòng)與自動(dòng)化：用于變頻器、伺服驅(qū)動(dòng)器、工業(yè)電機(jī)控制等，是PIM模塊最經(jīng)典的應(yīng)用領(lǐng)域之一。

新能源發(fā)電：在太陽能逆變器、風(fēng)電變流器中，PIM模塊有助于實(shí)現(xiàn)高效的電能轉(zhuǎn)換。

不間斷電源（UPS）：為UPS提供高可靠性的整流和逆變功能，確保關(guān)鍵設(shè)備的持續(xù)供電。

交通電氣化：應(yīng)用于電動(dòng)汽車的輔助逆變器、電池充電器、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等。

家電與消費(fèi)電子：高端變頻空調(diào)、冰箱等家電的壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)也常采用PIM模塊。

五

產(chǎn)品實(shí)例

域發(fā)揮價(jià)值

下面簡(jiǎn)單介紹兩款金蘭功率半導(dǎo)體的PIM模塊產(chǎn)品：JLPI75B120RN3E7SN和JLPI35B120RN2E7SN，兩者都是具有高功率和熱循環(huán)能力（均為銅基板+耐高溫環(huán)氧樹脂外殼）的，帶有NCE Gen.7溝槽場(chǎng)截止IGBT和發(fā)射極控制二極管，內(nèi)置NTC溫度傳感器的功率半導(dǎo)體模塊。

1.JLPI75B120RN3E7SN：采用LN3封裝（重量300g）

一些基礎(chǔ)電氣特性如下

2.JLPI35B120RN2E7SN：采用LN2封裝（重量180g）

一些基礎(chǔ)電氣特性如下

六總結(jié)

PIM功率集成模塊通過其高集成度、結(jié)構(gòu)緊湊和性能優(yōu)化等特點(diǎn)，有效解決了傳統(tǒng)分立功率器件方案在體積、效率和可靠性方面的挑戰(zhàn)，已成為現(xiàn)代高效、高功率密度電力電子設(shè)備不可或缺的核心部件之一。其不僅簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)與量產(chǎn)流程，更在效率、可靠性、功率密度上實(shí)現(xiàn)突破，支撐工業(yè)自動(dòng)化、新能源、交通電氣化等領(lǐng)域的技術(shù)升級(jí)。

未來，PIM 的發(fā)展將聚焦三大方向：更高的集成度，集成傳感器（如溫度、電流）和自適應(yīng)算法，實(shí)現(xiàn)故障診斷、能效優(yōu)化和預(yù)測(cè)性維護(hù)，向IPM方向發(fā)展，更智能化；寬禁帶材料應(yīng)用，集成采用SiC（碳化硅）、GaN（氮化鎵）等第三代半導(dǎo)體材料的器件，提升耐溫（＞200℃）與開關(guān)頻率（＞50kHz），適配高壓平臺(tái)；更先進(jìn)的封裝技術(shù)，采用銀燒結(jié)技術(shù)替代傳統(tǒng)焊料，用粗銅線鍵合替代鋁電，提升性能；進(jìn)行結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，如采用環(huán)氧樹脂壓鑄模技術(shù)，進(jìn)一步壓縮模塊體積，降低熱阻。