โมดูลกำลังหรือโมดูลอิเล็กทรอนิกส์กำลังทำหน้าที่เป็นภาชนะบรรจุทางกายภาพสำหรับส่วนประกอบกำลัง หลายชิ้น ซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะเป็น อุปกรณ์สารกึ่งตัวนำกำลัง อุปกรณ์สารกึ่งตัวนำกำลังเหล่านี้ (เรียกว่าได ) มักจะถูกบัดกรีหรือเผาผนึกบนพื้นผิวอิเล็กทรอนิกส์กำลังซึ่งรองรับอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำกำลัง ให้การสัมผัสทางไฟฟ้าและความร้อน และเป็นฉนวนไฟฟ้าในจุดที่จำเป็น เมื่อเปรียบเทียบกับอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำกำลังแบบแยกชิ้นในตัวเรือนพลาสติก เช่น TO-247 หรือTO-220แพ็คเกจกำลังจะให้ความหนาแน่นของกำลัง ที่สูงกว่า และในหลายกรณีมีความน่าเชื่อถือมากกว่า

โมดูลกำลังไฟฟ้ามีต้นกำเนิดมาจากช่วงกลางศตวรรษที่ 20 เมื่อการสวิตช์พลังงานถูกจัดการโดยทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์จังก์ชัน (BJT) แบบแยกชิ้น และต่อมา คือทรานซิสเตอร์ แบบดาร์ลิงตันที่ติดตั้งในแพ็คเกจแบบขั้วต่อสกรู ชุดประกอบในยุคแรกเหล่านี้ให้การขยายกระแสสูง แต่มีข้อเสียคือขนาดที่ใหญ่เทอะทะ ประสิทธิภาพการระบายความร้อนที่จำกัด และการเดินสายที่ซับซ้อน

ในปี พ.ศ. 2517 Semikron ได้เปิดตัว SemiPack 1 ซึ่งเป็นโมดูลพลังงานไฮบริดแบบ “ไร้ศักย์” ตัวแรกที่วางจำหน่ายในเชิงพาณิชย์ มีให้เลือกใช้ในรูปแบบการเชื่อมต่อที่หลากหลายโดยใช้ทั้งไดโอดและไทริสเตอร์คำว่า “ไร้ศักย์” หมายความว่าแผ่นฐานโลหะของโมดูลนั้นแยกทางไฟฟ้าออกจากวงจรเซมิคอนดักเตอร์ ทำให้สามารถติดตั้งบนฮีทซิงค์ได้โดยตรงโดยไม่ต้องใช้ฉนวนเพิ่มเติม^{[ 1 ]}

ในช่วงทศวรรษ 1980 การบรรจุโมดูลมีการพัฒนาขึ้นโดยการนำแผ่นรองพื้นทองแดงที่เชื่อมต่อโดยตรง (DBC)และแผ่นรองพื้นโลหะฉนวน (IMS) มาใช้ ซึ่งช่วยเพิ่มความทนทานต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ^{[ 2 ]}นอกจากนี้ เมื่อเทคโนโลยีพัฒนาไปเรื่อย ๆ ข้อกำหนด ในการขับเกตก็มีความซับซ้อนมากขึ้น

ในช่วงต้นทศวรรษ 1990 โมดูล IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) เริ่มได้รับความนิยมในเชิงพาณิชย์ โดยการผสมผสานการควบคุมเกตแบบ MOSFET เข้ากับความสามารถในการรับกระแสของ BJT ทำให้ IGBT เข้ามาแทนที่การออกแบบแบบ Darlington อย่างรวดเร็วในระดับแรงดัน 600–1,200 โวลต์ โมดูลแบบฮาล์ฟบริดจ์ พร้อมด้วยไดโอดฟรีวีลลิ่งแบบขนาน (FWD) ในตัว กลาย เป็นที่นิยมอย่างแพร่หลายในโมดูลกำลังไฟฟ้า

ตลอดช่วงทศวรรษ 2000 โมดูลพลังงานได้รวมเซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิไว้ในตัว ทั้งแบบเทอร์มิสเตอร์ NTC ที่ติดตั้งบนพื้นผิว รวมถึงไดโอดตรวจจับอุณหภูมิ วงจรขับเกต และวงจรป้องกันความผิดพลาดบนชิปทำให้เกิดโมดูลพลังงาน "อัจฉริยะ" รุ่นแรกขึ้นมา วัสดุพื้นผิวและสารประกอบขึ้นรูปก็ได้รับการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง ทำให้มีอายุการใช้งานยาวนานขึ้นภายใต้สภาวะการเปลี่ยนแปลงพลังงานที่รุนแรง

เมื่อไม่นานมานี้ อุปกรณ์ที่ มีแบนด์แก็ปกว้างเช่นSiC MOSFETได้ถูกนำมาใช้ในรูปแบบโมดูลกำลังไฟฟ้า โดยให้ความถี่ในการสวิตช์ที่สูงขึ้น การสูญเสียที่ต่ำลง และขนาดที่เล็ลง โมดูลไฮบริดที่จับคู่ไดโอด Schottky barrier SiC กับ IGBT ซิลิคอน และโมดูล SiC แบบเต็มรูปแบบ แสดงให้เห็นถึงความพยายามอย่างต่อเนื่องในการผลักดันประสิทธิภาพในขณะที่ใช้ประโยชน์จากแพลตฟอร์มบรรจุภัณฑ์ที่มีอยู่

นอกจากโมดูลที่ประกอบด้วยสวิตช์อิเล็กทรอนิกส์กำลังเพียงตัวเดียว (เช่นMOSFET , IGBT , BJT , Thyristor , GTOหรือJFET ) หรือไดโอดแล้ว โมดูลกำลังแบบดั้งเดิมยังประกอบด้วยชิ้นส่วนเซมิคอนดักเตอร์หลายชิ้นที่เชื่อมต่อกันเพื่อสร้างวงจรไฟฟ้าที่มีโครงสร้างเฉพาะ เรียกว่า โทโพโลยี โมดูลยังประกอบด้วยส่วนประกอบอื่นๆ เช่น ตัวเก็บประจุเซรามิกเพื่อลดแรงดันไฟเกินขณะสวิตช์ และเทอร์มิสเตอร์ NTC เพื่อตรวจสอบอุณหภูมิของพื้นผิวโมดูล ตัวอย่างของโทโพโลยีที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในโมดูล ได้แก่:

• สวิตช์ ( MOSFET , IGBT ) พร้อมไดโอดแบบขนานกลับด้าน ;
• วงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์ที่มีไดโอดสี่ตัว (1 เฟส) หรือหกตัว (3 เฟส)
• ครึ่งบริดจ์^{[ 3 ]} ( ขา อินเวอร์เตอร์พร้อมสวิตช์สองตัวและไดโอดแบบขนานกลับด้านที่สอดคล้องกัน)
• วงจร H-Bridge (สวิตช์สี่ตัวและไดโอดแบบขนานตรงข้ามที่เกี่ยวข้อง)
• การเพิ่มกำลังหรือการแก้ไขตัวประกอบกำลัง (สวิตช์หนึ่ง (หรือสอง) ตัว พร้อมไดโอดเรียงกระแสความถี่สูงหนึ่ง (หรือสอง) ตัว)
• ANPFC (วงจรแก้ไขตัวประกอบกำลังไฟฟ้าที่มีสวิตช์สองตัวและไดโอดแบบขนานกลับด้านที่เกี่ยวข้อง พร้อมด้วยไดโอดเรียงกระแสความถี่สูงสี่ตัว)
• NPC สามระดับ (แบบ I) ( ขา อินเวอร์เตอร์ หลายระดับ พร้อมสวิตช์สี่ตัวและไดโอดแบบขนานกลับด้านที่เกี่ยวข้อง)
• วงจร MNPC สามระดับ (แบบ T) ( วงจร แปลงกระแสไฟฟ้า หลายระดับ พร้อมสวิตช์สี่ตัวและไดโอดแบบขนานกลับด้านที่เกี่ยวข้อง)
• ANPC สามระดับ ( ขา อินเวอร์เตอร์ หลายระดับ พร้อมสวิตช์หกตัวและไดโอดแบบขนานกลับด้านที่เกี่ยวข้อง)
• สามระดับ H6.5 ^{[ 4 ]} - (ประกอบด้วยสวิตช์หกตัว (IGBT เร็วสี่ตัว/IGBT ช้าสองตัว) และไดโอดเร็วห้าตัว)
• อินเวอร์เตอร์สามเฟส^{[ 3 ]} (สวิตช์หกตัวและไดโอดแบบขนานที่สอดคล้องกัน)
• โมดูลเชื่อมต่อกำลังไฟฟ้า (PIM) - (ประกอบด้วยวงจรเรียงกระแสขาเข้า วงจรแก้ไขตัวประกอบกำลัง และวงจรอินเวอร์เตอร์)
• โมดูลพลังงานอัจฉริยะ (IPM) - (ประกอบด้วยภาคกำลังไฟฟ้าพร้อมวงจรป้องกันเกตไดรฟ์เฉพาะ อาจรวมเข้ากับภาคเรียงกระแสอินพุตและภาคแก้ไขตัวประกอบกำลังไฟฟ้าด้วย)

นอกเหนือจากหน้าสัมผัสแบบสกรูแบบดั้งเดิมแล้ว การเชื่อมต่อทางไฟฟ้าระหว่างโมดูลและส่วนอื่นๆ ของระบบอิเล็กทรอนิกส์กำลังยังสามารถทำได้โดยใช้หน้าสัมผัสแบบพิน (บัดกรีลงบนPCB ) หน้าสัมผัสแบบกดที่กดลงในรูของ PCB หน้าสัมผัสแบบสปริงที่กดลงบนพื้นที่สัมผัสของ PCB หรือโดยการสัมผัสแบบแรงดันโดยตรงที่พื้นผิวที่ทนต่อการกัดกร่อนถูกกดเข้าด้วยกันโดยตรง^{[ 5 ]} พินแบบกดช่วยให้มีความน่าเชื่อถือสูงมากและทำให้กระบวนการติดตั้งง่ายขึ้นโดยไม่จำเป็นต้องบัดกรี^{[ 6 ]}เมื่อเทียบกับการเชื่อมต่อแบบกด หน้าสัมผัสแบบสปริงมีข้อดีคือช่วยให้สามารถถอดการเชื่อมต่อได้ง่ายและไม่ทำให้เกิดความเสียหายหลายครั้ง เช่น สำหรับการตรวจสอบหรือการเปลี่ยนโมดูล เป็นต้น^{[ 7 ]}หน้าสัมผัสทั้งสองประเภทมีขีดจำกัดในการรับกระแสไฟฟ้าค่อนข้างจำกัดเนื่องจากพื้นที่หน้าตัดที่ค่อนข้างต่ำและพื้นผิวสัมผัสขนาดเล็ก ดังนั้น โมดูลจึงมักมีพินหรือสปริงหลายตัวสำหรับการเชื่อมต่อกำลังไฟฟ้าแต่ละครั้ง

ปัจจุบัน การวิจัยและพัฒนา (R&D) มุ่งเน้นไปที่การลดต้นทุน การเพิ่มความหนาแน่นของกำลังไฟฟ้าการเพิ่มความน่าเชื่อถือ และการลดจำนวนองค์ประกอบปรสิต ปรสิตเหล่านี้คือค่าความจุที่ไม่ต้องการระหว่างชิ้นส่วนวงจรและค่าความเหนี่ยวนำของลายวงจร ซึ่งทั้งสองอย่างสามารถส่งผลเสียต่อการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า ( EMR ) ของโมดูลได้ หากใช้งานในโหมดอินเวอร์เตอร์ เป็นต้น ปัญหาอีกประการหนึ่งที่เกี่ยวข้องกับปรสิตคือผลกระทบเชิงลบต่อพฤติกรรมการสวิตช์และการสูญเสียการสวิตช์ของสารกึ่งตัวนำกำลัง ดังนั้น ผู้ผลิตจึงพยายามลดจำนวนองค์ประกอบปรสิตในโมดูลของตนให้เหลือน้อยที่สุด ในขณะที่ยังคงรักษาต้นทุนให้ต่ำและรักษาความสามารถในการเปลี่ยนทดแทนกันได้สูงของโมดูลกับโมดูลจากแหล่งอื่น (ผู้ผลิตรายอื่น) อีกแง่มุมหนึ่งสำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพคือเส้นทางการถ่ายเทความร้อนระหว่างแหล่งความร้อน (ชิป) และฮีทซิงค์ ความร้อนต้องผ่านชั้นทางกายภาพต่างๆ เช่น บัดกรี แผงวงจรกระจายความร้อน (DCB) แผ่นฐาน วัสดุเชื่อมต่อความร้อน ( TIM ) และเนื้อของฮีทซิงค์ จนกระทั่งถูกถ่ายเทไปยังตัวกลางที่เป็นก๊าซ เช่น อากาศ หรือตัวกลางที่เป็นของเหลว เช่น น้ำหรือน้ำมัน เนื่องจากสารกึ่งตัวนำกำลังไฟฟ้าซิลิคอนคาร์ไบด์สมัยใหม่มีกำลังไฟฟ้าต่อหน่วยพื้นที่สูงขึ้น ความต้องการด้านการถ่ายเทความร้อนจึงเพิ่มสูงขึ้นตามไปด้วย

โมดูลกำลังไฟฟ้าใช้สำหรับอุปกรณ์แปลงพลังงาน เช่นมอเตอร์ไดรฟ์อุตสาหกรรมมอเตอร์ไดรฟ์แบบฝังตัว เครื่องสำรองไฟ เครื่องแปลงไฟ AC เป็น DCและเครื่องจ่ายไฟสำหรับเครื่องเชื่อม

โมดูลกำลังไฟฟ้ายังพบได้ทั่วไปในอินเวอร์เตอร์สำหรับพลังงานหมุนเวียนเช่นกังหันลมแผงโซลาร์เซลล์โรงไฟฟ้าพลังงานน้ำขึ้นน้ำลง และรถยนต์ไฟฟ้า (EV)

• ชุดกำลัง (ระบบขับเคลื่อน)
• พาวเวอร์-เอ็กก์
• รถขับเคลื่อนหลัก

วิกิมีเดียคอมมอน ส์มีสื่อที่เกี่ยวข้องกับIGBT

• คู่มือการใช้งานเซมิคอนดักเตอร์กำลังไฟฟ้าของเซมิครอน (2015) : ข้อมูลที่ครอบคลุมเกี่ยวกับการประยุกต์ใช้เซมิคอนดักเตอร์กำลังไฟฟ้าและเทคโนโลยีโมดูลกำลังไฟฟ้า
• Eltek Flatpack2 48V HEตัวอย่างโมดูลจ่ายไฟ; ตัวเรียงกระแสประสิทธิภาพสูง