CN111884536A - 一种智能功率模块 - Google Patents

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CN111884536A CN202010785128.9A CN202010785128A CN111884536A CN 111884536 A CN111884536 A CN 111884536A CN 202010785128 A CN202010785128 A CN 202010785128A CN 111884536 A CN111884536 A CN 111884536A
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冯锴雄
杨忠添
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Guangdong Huixin Semiconductor Co Ltd
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Abstract

本申请公开一种智能功率模块，其特征在于，包括基板；设置于基板上的驱动芯片；设置于基板上的逆变器单元，逆变器单元包括至少两组逆变模块，每组逆变模块包括两个三极晶体管，其中一个三极晶体管的漏极与基板上的高压输入端连接，其源极与另一个三极晶体管的漏极连接，所述另一个三极晶体管的源极与基板上的低电压参考端连接，两个三极晶体管的栅极均与所述驱动芯片相连；至少两路输出线，输出线一端与每组逆变模块的上桥臂的源极连接，另一端与基板上的输出端连接；至少两个电流探测线圈，电流探测线圈穿设于输出线上，并与驱动芯片连接。

Description

一种智能功率模块
技术领域
本申请涉及集成电路领域，尤其涉及一种智能功率模块。
背景技术
智能功率模块，即IPM（Intelligent Power Module，简写为IPM），是一种先进的功率开关器件，其内部集成了逻辑、控制、检测和保护电路，广泛应用于驱动电机的变频器以及各种逆变电源，是变频调速，冶金机械，电力牵引，伺服驱动，变频家电的一种理想电力电子器件。智能功率模块作为电机驱动的核心部件，其电流值是一个至关重要的参数，电流过大就会将智能功率模块损坏，因此需要对智能功率模块进行过流保护。
而智能功率模块的过流保护首先需要对流过模块的电流进行检测。在现有技术中，一般通过在智能功率模块的***设计一个电流采样电路，对智能功率模块的电流进行检测，但该种电路检测方式存在以下问题：该电流采样电路与智能功率模块独立，很大可能会受到外部干扰，造成误触发等情况使得模块停止工作，可靠性差，易用性差；且在模块局部电流过大时，无法对器件起到保护作用。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本申请的目的在于提供一种智能功率模块，旨在解决现有的智能功率模块在***设计电流采样电路的电流检测方式存在的可靠性差和易用性差的问题。
本申请的技术方案如下：
一种智能功率模块，其特征在于，包括：
基板；
设置于所述基板上的驱动芯片；
设置于所述基板上的逆变器单元，所述逆变器单元包括至少两组逆变模块，每组逆变模块包括两个三极晶体管，其中一个三极晶体管的漏极与所述基板上的高压输入端连接，其源极与另一个三极晶体管的漏极连接，所述另一个三极晶体管的源极与所述基板上的低电压参考端连接，两个三极晶体管的栅极均与所述驱动芯片相连；
至少两路输出线，所述输出线一端与每组逆变模块的上桥臂的源极连接，另一端与所述基板上的输出端连接； 至少两个电流探测线圈，所述电流探测线圈穿设于所述输出线上，并与所述驱动芯片连接。
所述的智能功率模块，其中，所述驱动芯片内设置有过流保护电路，所述过流保护电路与所述电流探测线圈连接，用于当所述电流探测线圈采集的电流超过设定阈值时，停止工作。
所述的智能功率模块，其中，
所述驱动芯片包括VSS端口、高侧输出端口以及低侧输出端口，所述高侧输出端口有且仅有HO1端口以及HO2端口，所述低侧输出端口有且仅有LO1端口以及LO2端口；
所述逆变器单元有且仅有第一组逆变模块和第二组逆变模块，所述第一组逆变模块包括第一三极晶体管和第二三极晶体管，所述第二组逆变模块包括第三三极晶体管和第四三极晶体管； 所述第一三极晶体管的栅极与所述HO1端口连接，所述第二三极晶体管的栅极与所述LO1端口连接，所述第三三极晶体管的栅极与所述HO2端口连接，所述第四三极晶体管的栅极与所述LO2端口连接。
所述的智能功率模块，其中，还包括第一自举电容；
所述驱动芯片还包括VB1端口以及VS1端口；所述VB1端口通过所述第一自举电容与所述VS1端口连接。
所述的智能功率模块，其中，还包括第二自举电容；
所述驱动芯片还包括VB2端口以及VS2端口；所述VB2端口通过第二自举电容与所述VS2端口连接。
所述的智能功率模块，其中，所述三极晶体管为IGBT晶体管、逆导型IGBT晶体管或MOSFET晶体管中的一种。
所述的智能功率模块，其中，所述三极晶体管均为IGBT晶体管；
每个IGBT晶体管连接有快恢复二极管，所述快恢复二极管的正极与所述IGBT晶体管的源极连接，所述快恢复二极管的负极与所述IGBT晶体管的漏极连接。
所述的智能功率模块，其中，每个三极晶体管的栅极连接一栅极驱动电阻，所述栅极驱动电阻设于所述驱动芯片内部。
所述的智能功率模块，其中，所述驱动芯片内还设置有过温保护开关。
所述的智能功率模块，其中，所述驱动芯片内还设置有过压保护开关。
有益效果：本申请所提供一种智能功率模块，所述智能功率模块在模块内部集成有电流探测线圈，对电路的电流进行检测，可减少外部干扰造成的误关断，提高模块的可靠性和易用性，相比现有技术来说简化了模块的结构，可靠性高，而且减少了使用者的设计成本，效果好。
附图说明
图1为本申请实施例的一种智能功率模块的原理示意图。
图2为本申请实施例的一种智能功率模块的电流探测线圈与现有的电路采样电路的所受到的信号干扰对比图。
图3为本申请实施例的一种智能功率模块的结构示意图。
图4为图3所示的实施例中的一种智能功率模块的驱动芯片的原理图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
请同时参见图1，图1是本申请一些实施例中的一种智能功率模块的原理示意图，需要说明的是，图1中的外框线88仅为本申请实施例的智能功率模块的封装示意线，并不是指本申请实施例的智能功率模块中各部件或各引脚的连接线。该智能功率模块，包括：基板1；设置于基板1上的驱动芯片2；设置于基板1上的逆变器单元3，该逆变器单元3包括至少两组逆变模块，每组逆变模块包括两个三极晶体管，两个三极晶体管分为上桥臂的三极晶体管31和下桥臂的三极晶体管32，其中，上桥臂的三极晶体管31的漏极与基板1上的高压输入端连接，上桥臂的三极晶体管31的源极与下桥臂的三极晶体管32的漏极连接，下桥臂的三极晶体管32的源极与基板1上的低电压参考端连接，两个三极晶体管的栅极均与驱动芯片2相连；至少两路输出线4，该输出线4一端与上桥臂的三极晶体管31的源极连接，另一端与基板1上的输出端连接；至少两个电流探测线圈5，电流探测线圈5穿设于输出线4上，并与驱动芯片2连接。
在图1所示的实施例中，逆变器单元3包括三组逆变模块，分别为第一组逆变单元B1、第二组逆变单元B2以及第三组逆变单元B3，其适用于具有三个接口的大功率电机负载。其中，需要说明的是，P点为本申请实施例的智能功率模块的高压输入端，U点、V点和W点为本申请实施例的智能功率模块的三相输出端，该三相输出端用于与电机负载连接。而UN点、VN点和WN点三点分别对应为三组逆变模块的下桥臂的三极晶体管32的发射极输出端，该三个发射极输出端可与基板1的低电压参考端或外部电路的接地端连接。
需要说明的是，驱动芯片2内设置有过流保护电路，该过流保护电路与电流探测线圈5连接。在图1所示的实施例中，输出线4对应为3路，而电流探测线圈5也对应为3个，其中，三个电流探测线圈5利用电磁感应原理，分别实时监测三相输出端的电流，并反馈给驱动芯片2。当监测到电流超过设定阈值时，驱动芯片2驱动过流保护电路，马上关断逆变器单元的6个三极晶体管，停止器件的工作，从而起到防止器件烧毁。
优选地，请参见图3，图3是本申请一些实施例中的一种智能功率模块的电路图，图3中的实施例为本申请的优选实施例。需要说明的是，图3中的外框线88仅为本申请实施例的智能功率模块的封装示意线，并不是指本申请实施例的智能功率模块中各部件或各引脚的连接线。该智能功率模块中，驱动芯片2包括VSS端口、高侧输出端口以及低侧输出端口，高侧输出端口有且仅有HO1端口以及HO2端口，低侧输出端口有且仅有LO1端口以及LO2端口；逆变器单元有且仅有第一组逆变模块A1和第二组逆变模块A2，其中，第一组逆变模块A1包括第一三极晶体管20和第二三极晶体管30，第二组逆变模块A2包括第三三极晶体管40和第四三极晶体管50；第一三极晶体管20的栅极与HO1端口连接，第二三极晶体管30的栅极与所述LO1端口连接，第三三极晶体管40的栅极与HO2端口连接，第四三极晶体管50的栅极与LO2端口连接。在实际应用中，HO1端口、HO2端口、LO1端口以及LO2端口分别对应作为第一三极晶体管20、第二三极晶体管30、第三三极晶体管40以及第四三极晶体管50的控制信号输入端。
需要说明的是，在图3所示的实施例中，A点为本申请实施例的智能功率模块的第一输出端A，B点为本申请实施例的智能功率模块的第二输出端B，N点为本申请实施例的智能功率模块的低电压参考端。第一输出端A和第二输出端B为电机负载的接口，N点与第二三极晶体管30和第四三极晶体管50的源极连接。
在图3所示的实施例中，驱动芯片2还包括VCC端口、HIN1端口、HIN2端口、LIN1端口以及LIN2端口，上述的VCC端口、HIN1端口、HIN2端口、LIN1端口以及LIN2端口分别引出作为整个智能功率模块的VCC引脚、HIN1引脚、HIN2引脚、LIN1引脚以及LIN2引脚。VSS端口引出作为整个智能功率模块的VSS引脚。VCC引脚、VSS引脚、HIN1引脚、HIN2引脚、LIN1引脚以及LIN2引脚均与MCU连接，用于接收MCU给出的相应的控制信号。其中，VCC引脚为驱动芯片2的电源信号端，VSS引脚为智能功率模块的公共接地端。在实际应用中，VCC引脚与VSS引脚之间的电压一般设置为15V，当然，可根据实际需要设置该处的电压，在此，并不做限制。
需要说明的是，参照图4，图4是图3所示的实施例中的一种智能功率模块的驱动芯片2的原理图。智能功率模块的VCC引脚通过驱动芯片2的VCC端口连接驱动芯片2内部的电源电路，给驱动芯片2提供工作电源。智能功率模块的HIN1引脚通过驱动芯片2的HIN1端口连接驱动芯片2内部的第一高侧驱动电路，并通过驱动芯片2的HO1端口输出控制信号，以决定第一三极晶体管20的通断；智能功率模块的HIN2引脚通过驱动芯片2的HIN2端口连接驱动芯片2内部的第二高侧驱动电路，并通过驱动芯片2的HO2端口输出控制信号，以决定第三三极晶体管40的通断；智能功率模块的LIN1引脚通过驱动芯片2的LIN1端口连接驱动芯片2内部的第一低侧驱动电路，并通过驱动芯片2的LO1端口输出控制信号，以决定第二三极晶体管30的通断；智能功率模块的LIN2引脚通过驱动芯片2的LIN2端口连接驱动芯片2内部的第二低侧驱动电路，并通过驱动芯片2的LO2端口输出控制信号，以决定第四三极晶体管50的通断。其中，智能功率模块的HIN1引脚、HIN2引脚、LIN1引脚以及LIN2引脚接收0V或5V的输入信号。当然，根据实际需要可以接收其他电压幅值的输入信号，具体根据电路所连接的实际器件进行选择。
需要进一步地进行说明的是，驱动芯片2内部还设有电源欠压保护电路，其与电源电路连接，以保护智能功率模块和器件。且两路高侧驱动电路也连接有高侧欠压保护电路，对智能功率模块和器件进行保护。
其中，第一组逆变模块A1中的第一三极晶体管20和第二三极晶体管30只能择一导通；第二组逆变模块A2中的第三三极晶体管40和第四三极晶体管50也只能择一导通。因此，第一三极晶体管20和第四三极晶体管50构成一组通路，由同一组信号驱动，同时导通/关断；第三三极晶体管40和第二三极晶体管30构成另一组通路，由同一组信号驱动，同时导通/关断。
此外，相应地，驱动芯片2内部的第一高侧驱动电路与第一低侧驱动电路之间、第二高侧驱动电路与第二低侧驱动电路之间分别设有设有互锁与死区电路，以实现逆变模块中的两个三极晶体管只能择一导通，防止短路 。
进一步地，在图3所示的实施例中，该智能功率模块还包括第一自举电容101以及第二自举电容102。其中，该驱动芯片2还包括VB1端口以及VS1端口，VB2端口以及VS2端口。VB1端口通过第一自举电容101与VS1端口连接。VB2端口通过第二自举电容102与VS2端口连接。其中，VB1端口为第一自举电容101的供电电源正端，VS1端口为第一自举电容101的供电电源负端；VB2端口为第二自举电容102的供电电源正端，VS2端口为第二自举电容102的供电电源负端。第一自举电容101以及第二自举电容102用于储能供电（或者说升压），为驱动芯片2的供电电源提供升压。该智能功率模块还包括两个自举二极管，驱动芯片2的VCC端口通过电源电路与两个自举二极管的阳极连接，两个自举二极管的阴极分别通过VB1端口和VB2端口与第一自举电容101、第二自举电容102对应连接，该自举二极管用于整流，防止电流倒灌，以保护电源电路。
在图3所示的实施例中，该智能功率模块还包括两个电流探测线圈5，两个电流探测线圈5分别穿设在与第一输出端A点和第二输出端B相连的输出线上，分别监测两个逆变模块输出端的电流。进一步地，驱动芯片2设有ITRIP端口，该ITRIP端口引出作为智能功率模块的ITRIP引脚，智能功率模块的ITRIP引脚为过流保护端。当电流探测线圈5检测到智能功率模块的输出端的电流，将该信号通过智能功率模块的ITRIP端反馈给MCU，MCU根据将该电流与设定的电流阈值相比，若该电流超过设定阈值时，再通过ITRIP端输入相应的控制信号，通过控制过流保护电路停止驱动芯片2的工作，继而停止智能功率模块的工作，对器件进行保护。
当然，可以理解地，在一些实施例中，驱动芯片2内还设置有过温保护开关、过压保护开关、使能保护开关、报错电路等。针对过温保护开关、过压保护开关、使能保护开关、报错电路，驱动芯片2对应设置有VTS端口、OV端口、EN端口、FO端口，上述VTS端口、EN端口、FO端口也通过通用I/O接口与MCU芯片连接，对应接收或反馈相应的信号到MCU芯片，而OV端口与高压输入端P点连接，检测高压输入端P点的电压是否超过设定阈值，对器件进行包括。其中，过温保护开关为正温度系数温度保护开关。此外，驱动芯片2的FO端口内部通过电阻上拉到VCC端口。
在实际应用中，现有的智能功率模块均为为三接口的大功率电机负载而设计，因此该智能功率模块设置多图1中所示的结构：一颗三路三相全桥驱动芯片+6个三极晶体管，该智能功率模块应用于小功率的电机时，其三相全桥驱动芯片会有两路驱动电路浪费了，要么只能采用分立的两颗半桥驱动芯片+4三极晶体管以可以实现单相全桥电路，但每颗半桥驱动芯片都需要设计了欠压、过流、使能、报错等保护电路，会造成保护电路重复造成模块的面积浪费；另外，每颗芯片都需要划片道、SEALRING（即密封环）等非功能区域，芯片越多非功能区域占比越大，不能实现芯片最有效使用面积。而本申请图3和图4的实施例中，该智能功率模块通过采用单颗驱动芯片2来控制两组绝三极晶体管形成的单相全桥电路，可直接适用两接口的小功率电机负载，无浪费，且单颗驱动芯片集成了四路驱动电路，使能电路、欠压保护电路、过流保护电路、过压保护电路、过温保护电路、报错电路等功能电路，以及自举电路，且模块上还集成了三极晶体管、自举电容、电流探测线圈5组成功能完成IPM电路，实现单相全桥IPM完整功能，不需要外加自举电容、电流采样线路等，能够最有效利用芯片面积，不会造成保护功能重复设计，使划片道、SEALRING等占用面积比例最小，提高空间利用率，提高模块的易用性和可靠性。
在一些实施例中，本申请实施例的集成控制芯片的智能功率模块的三极晶体管为IGBT晶体管、逆导型IGBT晶体管或MOSFET晶体管中的一种。
如图1和图3所示的实施例中，三极晶体管均为 IGBT晶体管。每个IGBT晶体管连接有快恢复二极管，快恢复二极管的正极与IGBT晶体管的源极连接，快恢复二极管的负极与IGBT晶体管的漏极连接。若三极晶体管均为逆导型IGBT晶体管或MOSFET晶体管，则可不并联快恢复二极管。
进一步地，在一些实施例中，每个三极晶体管的栅极连接一栅极驱动电阻，该栅极驱动电阻设于驱动芯片2的内部，用于防止驱动电流瞬时过大，产生振荡。本申请的优点是将电流探测电路集成在模块内部，简化了其使用方法，使用者在应用时，无需再***接入电流探测电路，减少使用者的设计成本；且如图2所示，图2为本申请一些实施例的智能功率模块的电流探测线圈与现有的电路采样电路的所受到的信号干扰对比图。可知，本申请实施例的智能功率模块能够减少外部干扰造成的误关断。如图2所示，当存在外部干扰时，传统外部电流探测电路可能产生一个较大的尖峰，驱动芯片收到此信号后把逆变器单元关断，造成误关断，而更接近器件的电流探测线圈只受到较少的干扰，说明此时实际电流还处于器件安全工作的范围，驱动芯片继续正常工作，防止误触发。此外，由于不需要外部电流探测电路，本申请实施例的智能功率模块过流保护动作时间更快，现有的过流保护动作时间需要10μs以上，而本申请实施例的过流保护动作时间可缩短在5μs以内，小于一般IGBT管的短路耐量，能更好地保护智能功率模块。且现有的电流探测电路一般采用至少一个采样电阻对电流进行采集，该采样电阻需要接入电路中，其具有分压作用，会产生功耗和热量，增加器件的散热负担。因此，相比现有技术来说，本申请实施例的智能功率模块结构简单，功能稳定，而且成本低效果好。
应当理解的是，本申请的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本申请所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种智能功率模块，其特征在于，包括：
基板；
设置于所述基板上的驱动芯片；
设置于所述基板上的逆变器单元，所述逆变器单元包括至少两组逆变模块，每组逆变模块包括两个三极晶体管，其中一个三极晶体管的漏极与所述基板上的高压输入端连接，其源极与另一个三极晶体管的漏极连接，所述另一个三极晶体管的源极与所述基板上的低电压参考端连接，两个三极晶体管的栅极均与所述驱动芯片相连；
至少两路输出线，所述输出线一端与每组逆变模块的上桥臂的源极连接，另一端与所述基板上的输出端连接；
至少两个电流探测线圈，所述电流探测线圈穿设于所述输出线上，并与所述驱动芯片连接。
2.根据权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述驱动芯片内设置有过流保护电路，所述过流保护电路与所述电流探测线圈连接，用于当所述电流探测线圈采集的电流超过设定阈值时，停止工作。
3.根据权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，
所述驱动芯片包括VSS端口、高侧输出端口以及低侧输出端口，所述高侧输出端口有且仅有HO1端口以及HO2端口，所述低侧输出端口有且仅有LO1端口以及LO2端口；
所述逆变器单元有且仅有第一组逆变模块和第二组逆变模块，所述第一组逆变模块包括第一三极晶体管和第二三极晶体管，所述第二组逆变模块包括第三三极晶体管和第四三极晶体管； 所述第一三极晶体管的栅极与所述HO1端口连接，所述第二三极晶体管的栅极与所述LO1端口连接，所述第三三极晶体管的栅极与所述HO2端口连接，所述第四三极晶体管的栅极与所述LO2端口连接。
4.根据权利要求3所述的智能功率模块，其特征在于，还包括第一自举电容；
所述驱动芯片还包括VB1端口以及VS1端口；所述VB1端口通过所述第一自举电容与所述VS1端口连接。
5.根据权利要求4所述的智能功率模块，其特征在于，还包括第二自举电容；
所述驱动芯片还包括VB2端口以及VS2端口；所述VB2端口通过第二自举电容与所述VS2端口连接。
6.根据权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述三极晶体管为IGBT晶体管、逆导型IGBT晶体管或MOSFET晶体管中的一种。
7.根据权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述三极晶体管均为IGBT晶体管；
每个IGBT晶体管连接有快恢复二极管，所述快恢复二极管的正极与所述IGBT晶体管的源极连接，所述快恢复二极管的负极与所述IGBT晶体管的漏极连接。
8.根据权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，每个三极晶体管的栅极连接一栅极驱动电阻，所述栅极驱动电阻设于所述驱动芯片内部。
9.根据权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述驱动芯片内还设置有过温保护开关。
10.根据权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述驱动芯片内还设置有过压保护开关。
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