CN112564461A - 一种功率开关电路*** - Google Patents

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史波
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Abstract

本发明提供一种功率开关电路***，包括：智能功率模块，包括上桥臂驱动芯片、下桥臂驱动芯片、由位于多个桥臂上的多绝缘栅双极型晶体管IGBT组成的功率开关器件，每个桥臂上的IGBT包括与上桥臂驱动芯片连接的上桥臂IGBT，及与下桥臂驱动芯片连接的下桥臂IGBT；保护电路，外接于智能功率模块中上桥臂驱动芯片的输出端和下桥臂驱动芯片的输出端，包括用于将输出端的电压稳定在设定电压范围的稳压保护电路；和/或用于将输出端的位移电流旁路到地线的稳流保护电路。本发明可以在IPM模块中连接稳压保护电路和/或稳流保护电路，减小栅极振荡及寄生导通，增加器件使用率及可靠性。

Description

一种功率开关电路***
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，具体涉及一种功率开关电路***。
背景技术
智能功率模块，即IPM(Intelligent Power Module，IPM)，是一种将电力电子和集成电路技术结合的功率模块，集栅极驱动芯片、由多个绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGate Bipolar Transistor，IGBT)组成的功率开关器件等模块，且集成新的封装技术等元素。栅极驱动芯片用于向各IGBT提供栅极驱动信号，微控制单元MCU连接栅极驱动芯片，通过控制栅极驱动芯片输出的栅极驱动信号，改变功率开关器件向负载提供的电压和电流。
智能功率模块内置的栅极驱动芯片，大大减少了***组件的数目，减少了因组件失效造成的故障，并且由于集成度高而缩小了智能功率模块的体积，大大提高了可靠性和空间利用率。
但是目前的IPM中的栅极驱动芯片向IGBT提供栅极驱动信号时，并未对IGBT的栅极进行必要的监控及保护。
目前使用最广的内置三相全桥电路的IPM，内置三相全桥电路。其中一个桥臂包括上桥臂和下桥臂，一个桥臂上包括分别与上桥臂和下桥臂连接的两个IGBT，IPM在工作时，需保证一个桥臂上的两个IGBT错开开通，否则会导致直通短路。
当其中上桥臂或下桥臂的一个IGBT开通时，另一IGBT的集电极与发射极之间的电压会急剧变化，导致电压变化率很大，而由于IGBT的栅极与集电极之间存在密勒电容，因此会产生位移电流经过栅极电阻产生压降叠加到栅极上，进而引起寄生导通甚至栅极震荡，此时上下桥臂同时导通，即桥臂短路，并且即使IPM内部存在过流保护技术，但当栅极震荡电压幅度超过IGBT的栅极耐压极限时会损坏栅极，导致IGBT损坏，甚至损坏驱动芯片。
发明内容
本发明提供一种功率开关电路***，用以解决目前的IPM中的栅极驱动芯片向IGBT提供栅极驱动信号时，并未对IGBT的栅极进行必要的监控及保护的问题。
第一方面，本申请提供一种功率开关电路***，包括：
智能功率模块，包括上桥臂驱动芯片、下桥臂驱动芯片、由位于多个桥臂上的多绝缘栅双极型晶体管IGBT组成的功率开关器件，每个桥臂上的IGBT包括与上桥臂驱动芯片连接的上桥臂IGBT，及与下桥臂驱动芯片连接的下桥臂IGBT；
保护电路，外接于智能功率模块中上桥臂驱动芯片的输出端和下桥臂驱动芯片的输出端，包括用于将输出端的电压稳定在设定电压范围的稳压保护电路；和/或用于将输出端的位移电流旁路到地线的稳流保护电路。
可选的，微控制单元MCU，用于控制上桥臂驱动芯片的输出端输出上桥臂IGBT的栅极驱动信号，或者控制下桥臂驱动芯片的输出端输出下桥臂IGBT的栅极驱动信号。
可选的，所述上桥臂驱动芯片的输出端和下桥臂驱动芯片的输出端，分别通过键合线的方式与保护电路相连。
可选的，所述稳压保护电路为用于将输出端的电压稳定在设定电压范围的栅极钳位保护电路。
可选的，所述稳流保护电路为将输出端的位移电流旁路到地线的密勒钳位保护电路。
可选的，所述上桥臂驱动芯片和下桥臂驱动芯片的信号输出端通过打线的方式，连接到所述智能功率模块的外部引脚。
可选的，所述控制器MCU通过对上桥臂/下桥臂IGBT栅极电压的监控，动态控制上桥臂驱动芯片的输出的上桥臂IGBT的栅极驱动信号，或者下桥臂驱动芯片的输出的下桥臂IGBT的栅极驱动信号。
可选的，所述上桥臂驱动芯片、下桥臂驱动芯片、由位于多个桥臂上的多个IGBT组成的功率开关器件的结构为三相全桥电路结构。
可选的，与各个IGBT的发射极分别连接的多个续流二极管，每个续流二极管的阳极一端与发射极相连，另一阴极的一端连接到外部引脚。
可选的，所述功率开关器件由3个桥臂组成。
利用本发明提供的一种功率开关电路***，具有以下有益效果：
本发明提供的一种功率开关电路***，可以在IPM模块中连接稳压保护电路和/或稳流保护电路，将各输出端的电压和/或电流控制在设定范围，减小因密勒电容及电路上的寄生参数引起的栅极振荡及寄生导通，进而导致IPM失效等问题，增加了器件使用率及可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种功率开关电路***结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种功率开关电路***保护电路结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种功率开关电路***结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种功率开关电路***结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种功率开关电路***电气连接结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部份实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例中术语“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
本发明实施例描述的应用场景是为了更加清楚的说明本发明实施例的技术方案，并不构成对于本发明实施例提供的技术方案的限定，本领域普通技术人员可知，随着新应用场景的出现，本发明实施例提供的技术方案对于类似的技术问题，同样适用。其中，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示为现有的功率开关电路***结构图，该功率开关电路***包括：智能功率模块，包括：上桥臂驱动芯片110、下桥臂驱动芯片111，及由位于多个桥臂上的多绝缘栅双极型晶体管IGBT组成的功率开关器件；微控制单元MCU(图1中未示出)，其中：
每个桥臂上的IGBT包括与上桥臂驱动芯片连接的上桥臂IGBT，及与下桥臂驱动芯片连接的下桥臂IGBT(图1中未示出)；
所述MCU用于控制上桥臂驱动芯片110的输出端输出上桥臂IGBT的栅极驱动信号，或者控制下桥臂驱动芯片111的输出端输出下桥臂IGBT的栅极驱动信号。
如图1所示，其中一个下桥臂IGBT的栅极103与下桥臂驱动芯片111连接，功率开关器件中共有3个桥臂，每个桥臂包括与上桥臂驱动芯片连接的上桥臂IGBT，及与下桥臂驱动芯片连接的下桥臂IGBT，上述智能功率模块中共有6个绝缘栅双极型晶体管IGBT。上桥臂驱动芯片110的3个驱动信号输出端分别与3个上桥臂绝缘栅双极型晶体管IGBT的栅极相连，下桥臂驱动芯片111的3个驱动信号输出端分别与3个下桥臂绝缘栅双极型晶体管IGBT的栅极相连，上桥臂驱动芯片110的驱动信号输出端与下桥臂驱动芯片的3个驱动信号输出端分别输出对应连接的IGBT的栅极。
智能功率模块中还包括续流二极管112，续流二极管112的阳极101与绝缘栅双极型晶体管IGBT的发射极102相连，并通过连接线连接到外部引脚上，所述续流二极管112为在电路中电压或电流出现突变时，保护电路中的其他元件，防止反电动势将其损坏。
图1中的序号1-31分别为上述智能功率模块的引脚，通过上述引脚与其他模块或元器件相连。
鉴于现有的智能功率模块中，栅极驱动芯片向IGBT提供栅极驱动信号时，并未对IGBT的栅极进行必要监控及保护的问题，本发明提供一种功率开关电路***，包括：
智能功率模块，包括上桥臂驱动芯片、下桥臂驱动芯片、由位于多个桥臂上的多绝缘栅双极型晶体管IGBT组成的功率开关器件，每个桥臂上的IGBT包括与上桥臂驱动芯片连接的上桥臂IGBT，及与下桥臂驱动芯片连接的下桥臂IGBT；
保护电路，外接于智能功率模块中上桥臂驱动芯片的输出端和下桥臂驱动芯片的输出端，包括用于将输出端的电压稳定在设定电压范围的稳压保护电路；和/或用于将输出端的位移电流旁路到地线的稳流保护电路。
本发明相对现有的智能功率模块，增加了对栅极驱动信号进行保护的保护电路，上桥臂驱动芯片的输出端和下桥臂驱动芯片的输出端分别与保护电路相连，所述保护电路用于将各输出端的电压和/或电流控制在设定范围，从而可以减小栅极振荡及寄生导通，增加了器件使用率及可靠性。
作为一种可选的实施方式，本发明实施例中的保护电路可以采用如下任一种形式：
1)用于将输出端的电压稳定在设定电压范围的稳压保护电路；
实施中，一个桥臂上仅上桥臂IGBT导通或下桥臂IGBT导通，当上桥臂或下桥臂的一个IGBT开通时，另一IGBT的集电极与发射极之间的电压会急剧变化，导致电压变化率很大，而由于IGBT的栅极与集电极之间存在密勒电容，因此会产生位移电流经过栅极电阻产生压降叠加到栅极上，进而引起寄生导通甚至栅极震荡，此时上下桥臂同时导通，即桥臂短路。
本实施例中通过将输出端的电压稳定在设定电压范围的稳压保护电路，在其中IGBT开通时，将未导通的IGBT的栅极电压控制在稳定范围内，避免出现栅极震荡，从而避免桥臂短路。
用于将输出端的电压稳定在设定电压范围的稳压保护电路，可以采用具有将输出端电压稳压的相应电路结构。
本申请实施例中所述稳压保护电路为用于将输出端的电压稳定在设定电压范围的栅极钳位保护电路，如图2所示一种栅极钳位保护电路的电路示意图，主要是在IGBT的栅极与发射极之间并接一只几十千欧的电阻。
栅极钳位保护电路的作用在于，当导通一端的IGBT栅极电压超过栅极保护电路预设电压时，栅极钳位保护电路将栅极电压稳定为预先设定的安全电压范围内。
2)用于将输出端的位移电流旁路到地线的稳流保护电路。
如前所述，由于IGBT的栅极与集电极之间存在密勒电容，因此其中IGBT导通会产生位移电流经过栅极电阻产生压降叠加到栅极上，进而引起寄生导通甚至栅极震荡，此时上下桥臂同时导通，即桥臂短路。
本发明实施例提供的稳流保护电路为将输出端的位移电流旁路到地线的密勒钳位保护电路。
密勒钳位保护电路的作用在于，通过密勒钳位将所述位移电流旁落到地，使电流不经过栅极，避免因产生位移电流经过栅极电阻产生压降叠到栅极上，避免IGBT在工作时引起寄生导通或栅极震荡，减小器件的失效率，保证电路的安全运作。
与本申请稳压保护电路和稳流保护电路功能相同的电路同样也适用于本申请中。
3)用于将输出端的电压稳定在设定电压范围的稳压保护电路和用于将输出端的位移电流旁路到地线的稳流保护电路。
稳压保护电路和稳流保护电路的结构及作用可参见上述1)和2)的叙述，这里不再重述。
所述上桥臂驱动芯片的输出端和下桥臂驱动芯片的输出端，分别通过键合线的方式与保护电路相连。
本申请实施例提供的一种功率开关电路***如图3所示，包括：智能功率模块，包括：上桥臂驱动芯片301、下桥臂驱动芯片302，及由位于多个桥臂上的多绝缘栅双极型晶体管IGBT组成的功率开关器件303；微控制单元MCU300；保护电路304；其中：
每个桥臂上的IGBT包括与上桥臂驱动芯片连接的上桥臂IGBT3031，及与下桥臂驱动芯片连接的下桥臂IGBT3032；
所述MCU300用于控制上桥臂驱动芯片301的输出端输出上桥臂IGBT3031的栅极驱动信号，或者控制下桥臂驱动芯片302的输出端输出下桥臂IGBT3032的栅极驱动信号；
所述上桥臂驱动芯片301的输出端和下桥臂驱动芯片302的输出端分别与保护电路304相连，所述保护电路304用于将各输出端的电压和/或电流控制在设定范围。
其中，绝缘栅双极型晶体管IGBT，是由BJT(双极型三极管)和MOSFET(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，包括栅极、源极、漏极以及发射极，有高输入阻抗和低导通压降两方面的优点。
所述上桥臂驱动芯片、下桥臂驱动芯片、由位于多个桥臂上的多个IGBT组成的功率开关器件的结构为三相全桥电路结构，当然，还可以是其他形式的电路结构。
下面以三相全桥电路结构为例，结合附图给出本发明功率开关电路***的详细实施例。
如图4所示为本发明一种功率开关电路***的详细结构图，包括：智能功率模块，包括：上桥臂驱动芯片401、下桥臂驱动芯片402，及由位于多个桥臂上的多绝缘栅双极型晶体管IGBT组成的功率开关器件403；微控制单元MCU(图中未示出)；保护电路404，其中：
每个桥臂上的IGBT包括与上桥臂驱动芯片连接的上桥臂IGBT4011，及与下桥臂驱动芯片连接的下桥臂IGBT4021；
所述MCU用于控制上桥臂驱动芯片401的输出端输出上桥臂IGBT4011的栅极驱动信号，或者控制下桥臂驱动芯片402的输出端输出下桥臂IGBT4021的栅极驱动信号；
所述上桥臂驱动芯片401的输出端和下桥臂驱动芯片402的输出端分别与保护电路404相连，所述保护电路用于将各输出端的电压和/或电流控制在设定范围。
功率开关器件中共有3个桥臂，每个桥臂包括与上桥臂驱动芯片连接的上桥臂IGBT，及与下桥臂驱动芯片连接的下桥臂IGBT，该智能功率模块中共有6个绝缘栅双极型晶体管IGBT。上桥臂驱动芯片401的3个驱动信号输出端分别与3个上桥臂绝缘栅双极型晶体管IGBT的栅极相连，下桥臂驱动芯片402的3个驱动信号输出端分别与3个下桥臂绝缘栅双极型晶体管IGBT的栅极相连，上桥臂驱动芯片401的驱动信号输出端与下桥臂驱动芯片402的3个驱动信号输出端分别输出对应连接的IGBT的栅极。
上述智能功率模块还包括与各个IGBT的发射极分别连接的多个续流二极管405，每个续流二极管405的阳极一端与发射极相连，另一阴极的一端连接到外部引脚。
上桥臂驱动芯片的输出端和下桥臂驱动芯片的输出端，引出到外部引脚的第一键合线(406、407、408)和第二键合线(409、410、411)，通过上述键合线的方式将上桥臂驱动芯片的输出端和下桥臂驱动芯片的输出端分别与保护电路相连。
所述智能功率模块外部增加引脚，所述上桥臂驱动芯片和下桥臂驱动芯片的信号输出端通过打线的方式连接到上述引脚。
图4中序号1-31分别为上述智能功率模块的引脚，通过上述引脚与其他模块或元器件相连。
如图5所示为本发明一种功率开关电路***的电气连接图，包括以下部分：
智能功率模块，包括：上桥臂驱动芯片502、下桥臂驱动芯片503、由位于多个桥臂上的多绝缘栅双极型晶体管IGBT组成的功率开关器件504和输出负载506；微控制单元MCU501；栅极保护电路505；其中：
每个桥臂上的IGBT包括与上桥臂驱动芯片连接的上桥臂IGBT5021，及与下桥臂驱动芯片连接的下桥臂IGBT5031；
所述MCU501用于控制上桥臂驱动芯片的输出端输出上桥臂IGBT5021的栅极驱动信号，或者控制下桥臂驱动芯片的输出端输出下桥臂IGBT5031的栅极驱动信号；
作为一种优选的实施方式，本申请实施例中的保护电路为栅极保护电路，如图5所示，6个IGBT的栅极分别与上述栅极保护电路相连接。所述上桥臂驱动芯片502的输出端和下桥臂驱动芯片503的输出端分别与栅极保护电路505相连，所述栅极保护电路505用于将各输出端的电压和/或电流控制在设定范围。
所述输出负载503，与功率开关器件中6个IGBT的各发射极相连，智能功率模块通过上述MCU控制各IGBT的导通，进而控制输出负载完成工作。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的智能功率模块，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的智能功率模块实施例仅仅是示意性的，根据本发明实施例提供智能功率模块作出的各种变型均属于本发明实施例的范围。
以上对本申请所提供的技术方案进行了详细介绍，本申请中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (10)

1.一种功率开关电路***，其特征在于，包括：
智能功率模块，包括上桥臂驱动芯片、下桥臂驱动芯片、由位于多个桥臂上的多绝缘栅双极型晶体管IGBT组成的功率开关器件，每个桥臂上的IGBT包括与上桥臂驱动芯片连接的上桥臂IGBT，及与下桥臂驱动芯片连接的下桥臂IGBT；
保护电路，外接于智能功率模块中上桥臂驱动芯片的输出端和下桥臂驱动芯片的输出端，包括用于将输出端的电压稳定在设定电压范围的稳压保护电路；和/或用于将输出端的位移电流旁路到地线的稳流保护电路。
2.根据权利要求1所述的功率开关电路***，其特征在于，还包括：
微控制单元MCU，用于控制上桥臂驱动芯片的输出端输出上桥臂IGBT的栅极驱动信号，或者控制下桥臂驱动芯片的输出端输出下桥臂IGBT的栅极驱动信号。
3.根据权利要求1所述的功率开关电路***，其特征在于，所述上桥臂驱动芯片的输出端和下桥臂驱动芯片的输出端，分别通过键合线的方式与保护电路相连。
4.根据权利要求1所述的功率开关电路***，其特征在于，所述稳压保护电路为用于将输出端的电压稳定在设定电压范围的栅极钳位保护电路。
5.根据权利要求1所述的功率开关电路***，其特征在于，所述稳流保护电路为将输出端的位移电流旁路到地线的密勒钳位保护电路。
6.根据权利要求1所述的功率开关电路***，其特征在于，所述上桥臂驱动芯片和下桥臂驱动芯片的信号输出端通过打线的方式，连接到所述智能功率模块的外部引脚。
7.根据权利要求2所述的功率开关电路***，其特征在于，所述控制器MCU通过对上桥臂/下桥臂IGBT栅极电压的监控，动态控制上桥臂驱动芯片的输出的上桥臂IGBT的栅极驱动信号，或者下桥臂驱动芯片的输出的下桥臂IGBT的栅极驱动信号。
8.根据权利要求1所述的功率开关电路***，其特征在于，所述上桥臂驱动芯片、下桥臂驱动芯片、由位于多个桥臂上的多个IGBT组成的功率开关器件的结构为三相全桥电路结构。
9.根据权利要求1所述的功率开关电路***，其特征在于，还包括：
与各个IGBT的发射极分别连接的多个续流二极管，每个续流二极管的阳极一端与发射极相连，另一阴极的一端连接到外部引脚。
10.根据权利要求1所述的功率开关电路***，其特征在于，所述功率开关器件由3个桥臂组成。
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