CN113551796B - 一种桥臂结温检测装置、方法和空调 - Google Patents

Abstract

提供了一种桥臂结温检测装置，个桥臂包括上桥臂和下桥臂，下桥臂的漏极与上桥臂的源极相连，所述装置包括：NTC电阻、高压二极管、分压电阻和控制模块，其中所述下桥臂的漏极与NTC电阻的一端相连接，所述NTC电阻的另一端与高压二极管的阴极相连，所述高压二级管的阳极连接至分压电阻的第一端，分压电阻的另一端连接至源电压；其中所述装置还包括控制模块，所述控制模块的电压采样正端连接在高压二级管的阳极和分压电阻的第一端之间，用于检测桥臂的结温。本发明的方案能够实现IPM或三相桥臂电路所有器件实时检测结温，并且在结温过高的情况下智能调节整机功率，避免损伤器件。

Description

一种桥臂结温检测装置、方法和空调

技术领域

本发明涉及智能控制领域，更具体地涉及一种桥臂结温检测装置、方法和空调。

背景技术

IPM(智能功率模块)是一种先进的功率开关器件，兼有GTR(大功率晶体管)高电流、低饱和电压和高耐压的优点，以及MOSFET(金属-氧化物半导体场效应晶体管)高输入阻抗、高开关频率和低驱动功率的优点。在IPM内部集成了逻辑、控制、检测和保护电路，使用起来方便，不仅减少了***的体积，缩短了开发时间，也增强了***的可靠性，适应了当今功率器件的发展方向，IPM在功率电子领域得到了越来越广泛的应用。

随着国家能效升级，传统的定频空调将会逐步淘汰，变频空调通过IPM模块(或者搭建分立三相桥式逆变电路)将高压直流电逆变为三相可变频率的交流电驱动压缩机以及直流风机。但是目前从售后反馈的情况来看，每年因为IPM(或分立三相桥式逆变电路)三相逆变桥臂内部集成的FET(场效应晶体管)功率器件温度过高导致器件烧毁失效的案例逐年升高，空调实现全部变频化之后将面临更大的压力。因此现有技术需要一种IPM的桥臂结温检测解决方案。

上述在背景部分公开的信息仅用于对本发明的背景做进一步的理解，因此它可以包含对于本领域普通技术人员已知的不构成现有技术的信息。

发明内容

本发明提供了一种IPM的桥臂结温检测装置、方法和空调。通过改进后的温度检测电路以及搭配相应的算法逻辑，检测出IPM内部集成FET器件或桥式分立器件的内部晶圆结温，解决行业内只能通过检测器件表面温度近似折算结温的技术难题。本发明的方案能够实现所有器件实时检测结温，并且在结温过高的情况下智能调节整机功率，避免损伤器件。

本发明的第一方面提供了

一种桥臂结温检测装置，每个桥臂包括上桥臂和下桥臂，下桥臂的漏极与上桥臂的源极相连，所述装置包括：NTC电阻、高压二极管、分压电阻和控制模块，

其中所述下桥臂的漏极与NTC电阻的一端相连接，所述NTC电阻的另一端与高压二极管的阴极相连，所述高压二级管的阳极连接至分压电阻的第一端，分压电阻的另一端连接至源电压；

其中所述装置还包括控制模块，所述控制模块的电压采样正端连接在高压二级管的阳极和分压电阻的第一端之间，用于检测所述桥臂的结温。

根据本发明的一个实施例，其中，在所述下桥臂的漏极接近内部晶圆结温的引脚大面积铺设铜箔，将所述NTC电阻的一端设置在铜箔上方。

根据本发明的一个实施例，所述控制模块电压参考地与下桥臂的源极相连，该连接点作为电压参考基准地根据本发明的一个实施例，其中，当所述下桥臂关断时，所述高压二极管反向截止，所述控制模块的电压采样正端的电压为源电压。

根据本发明的一个实施例，其中，所述控制模块在有下桥开通的PWM信号时，根据MCU检测到的电压减去所述二极管上的压降和下桥臂FET管的压降得到NTC电阻两端的电压，并根据NTC的电压温度曲线来获得所述桥臂的结温。

根据本发明的一个实施例，其中，所述控制模块检测到所述桥臂的结温在预定的阈值范围内时，对所述桥臂进行功率限制；所述控制模块检测到所述桥臂的结温超过所述阈值范围的上限值时，对所述桥臂执行停机保护。

根据本发明的一个实施例，其中，所述预定的阈值范围为120℃至150℃。

本发明的第二方面提供了一种桥臂结温检测装置，其中所述桥臂检测结温装置为权利要求1-7任一项所述的装置，所述方法包括:所述控制模块通过驱动信号输出控制所述桥臂中的场效应管的开始开关动作；当所述桥臂的下桥臂的驱动信号为高电平时，所述下桥臂开通，所述控制模块检测NTC电阻两端的电压；所述控制模块根据MCU检测到的电压减去所述二极管上的压降和下桥臂FET管的压降得到NTC电阻两端的电压，并根据NTC的电压温度曲线来获得所述桥臂的结温；当所述结温超过预设的温度阈值时，通过执行功率限制使得所述结温降低至预设温度阈值以下。

根据本发明的一个实施例，其中所述驱动信号为PWM信号，通过减少PWM信号的占空比来执行功率限制。

本发明的第三方面提供了一种IPM桥臂结温检测装置，其中所述IPM包括多个桥臂，每个桥臂包括上桥臂和下桥臂，下桥臂的漏极与上桥臂的源极相连，所述装置包括：NTC电阻、高压二极管、分压电阻和控制模块，其中所述每个桥臂的下桥臂的漏极与NTC电阻的一端相连接，所述NTC电阻的另一端与高压二极管的阴极相连，所述高压二级管的阳极连接至分压电阻的第一端，分压电阻的另一端连接至源电压；其中所述装置还包括控制模块，所述控制模块的电压采样正端连接在所述每个桥臂的高压二级管的阳极和分压电阻的第一端之间，用于检测每个桥臂的结温。

本发明的第四方面提供了一种分立器件桥臂结温检测装置，其中所述分立器件包括三相桥臂电路，其中每个桥臂包括上桥臂和下桥臂，下桥臂的漏极与上桥臂的源极相连，所述装置包括：NTC电阻、高压二极管、分压电阻和控制模块，其中所述每个桥臂的下桥臂的漏极与NTC电阻的一端相连接，所述NTC电阻的另一端与高压二极管的阴极相连，所述高压二级管的阳极连接至分压电阻的第一端，分压电阻的另一端连接至源电压；其中所述装置还包括控制模块，所述控制模块的电压采样正端连接在所述每个桥臂的高压二级管的阳极和分压电阻的第一端之间，用于检测每个桥臂的结温。

本发明的第五方面提供了一种空调，其采用了上述桥臂结温检测方法和包括上述桥臂结温检测装置。

采用本发明的桥臂结温检测方案，能够实时监测功率器件的内部晶圆结温，当温度过高时适当降低整机功率，将器件结温降低，使得器件工作在正常的温度范围内，以此来达到保护器件的目的，同时提高了器件寿命，极大降低产品售后故障率，为公司节省了大量售后成本，消除了因为器件烧毁导致的安全隐患。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图进行简单介绍，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，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明的一个示例性的本发明的一桥臂结温检测装置电路图。

图2是根据本发明的一个示例性的实施例的一种桥臂结温检测装置的控制方法的流程图。

具体实施例

如在本文中所使用的，词语“第一”、“第二”等可以用于描述本发明的示例性实施例中的元件。这些词语只用于区分一个元件与另一元件，并且对应元件的固有特征或顺序等不受该词语的限制。除非另有定义，本文中使用的所有术语(包括技术或科学术语)具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的含意相同的含意。如在常用词典中定义的那些术语被解释为具有与相关技术领域中的上下文含意相同的含意，而不被解释为具有理想或过于正式的含意，除非在本发明中被明确定义为具有这样的含意。

本领域的技术人员将理解的是，本文中描述的且在附图中说明的本发明的装置和方法是非限制性的示例性实施例，并且本发明的范围仅由权利要求书限定。结合一个示例性实施例所说明或描述的特征可与其他实施例的特征组合。这种修改和变化包括在本发明的范围内。

下文中，将参考附图详细描述本发明的示例性实施例。在附图中，省略相关已知功能或配置的详细描述，以避免不必要地遮蔽本发明的技术要点。另外，通篇描述中，相同的附图标记始终指代相同的电路、模块或单元，并且为了简洁，省略对相同电路、模块或单元的重复描述。

此外，应当理解一个或多个以下方法或其方面可以通过至少一个控制单元或控制器执行。术语“控制单元”，“控制器”,“控制模块”或者“主控模块”可以指代包括存储器和处理器的硬件设备，存储器或者计算机可读存储介质配置成存储程序指令，而处理器具体配置成执行程序指令以执行将在以下进一步描述的一个或更多进程。而且，应当理解，正如本领域普通技术人员将意识到的，以下方法可以通过包括处理器并结合一个或多个其他部件来执行。

目前功率半导体器件温升测试方法都是测试器件表面温度通过热阻折算得到器件结温，但是这种对结温的测试方法并不能准确估算出结温，测试误差较大。因为功率器件最关键的还是内部晶圆的温度，器件表面温度并不完全能反映出内部晶圆的结温，因此器件在有些极限的工作条件下很容易造成结温过高导致器件烧毁。因此必须要对这些功率器件的结温有比较精准的监测，并在内部晶圆结温较高的情况下对空调整机进行功率限制，以此来确保整机可靠性。目前的FET(场效应晶体管)器件漏极引脚与内部晶圆直接连接并且引脚与晶圆之间的热阻可以忽略不计，同时因为漏极由于通过大电流，所以测试该电极上面的温度基本上就是器件内部晶圆结温，但是这种桥式结构电路由于上桥源极和下桥漏极连接点的电位随着器件的开关会出现浮动(在高压与GND之间跳变)并且该引脚电压较高，而***中的MCU通常都是工作在低压小信号情况下，因此对温度采样带来了极大的难度，传统的分压式采样电路并不能直接检测温度，因此需要对现有的采样电路进行相应的改进。

图1是根据本发明的一个示例性的本发明的一种桥臂结温检测装置的电路图。

如图1所示，每个桥臂包括上桥臂和下桥臂，下桥臂的漏极与上桥臂的源极相连，所述装置包括：NTC电阻、高压二极管、分压电阻和控制模块。

如图1所示，所述下桥臂的漏极与NTC电阻的一端相连接，所述NTC电阻的另一端与高压二极管的阴极相连，所述高压二级管的阳极连接至分压电阻的第一端，分压电阻的另一端连接至源电压；其中所述装置还包括控制模块(即主控芯片)，所述控制模块的电压采样正端连接在高压二级管的阳极和分压电阻的第一端之间，用于检测IPM桥臂的结温。

根据本发明的一个或多个实施例，如图1所示，在PCB LAYOUT(印刷电路板设计)中，将IPM或桥式器件的下桥漏级即最接近内部晶圆结温的引脚铺铜以便于导热，由于大面积铺铜，使得器件内部晶圆结温与该引脚上的温度基本一致，因为二者内部都是直接连接的，所以二者之间的热阻可以忽略不计。将NTC电阻(负温度系数热敏电阻)一端置于该铜箔上方与漏极引脚相连，使其能够检测该引脚上的温度。通过与分压电阻串联搭建分压电路，由于NTC电阻是负温度系数，在温度升高的情况下电阻值会变小，因此采样点的电压会随着温度升高而降低。

根据本发明的一个或多个实施例，如图1所示，由于主控芯片的参考地是下桥的源极引脚连接的GND，在下桥关断的时候下桥漏极引脚的电压等于DC+(直流正接)上的高压，所以NTC上的电压也是高压，因此高压二极管截止，采样点的电压就是上拉的3.3V(标准参考电压)，所以此时的采样电压并不是NTC上的电压，所得出来的温度也不是器件内部结温。因此MCU的采样电路接口(即电压采样正端)必须要工作在下桥FET开通的时候，当MCU给出下桥的PWM信号时，下桥FET开通，此时NTC电阻与下桥漏极引脚连接点被拉到GND，此时NTC电阻上会流过一定的电流，MCU通过检测NTC两端电压得到此时NTC电阻的温度，从而得到器件内部晶圆的温度。MCU电压参考地与下桥臂的源极相连，该连接点作为整个控制***的电压参考基准地。其中在MCU检测结温的过程中，检测到的电压是NTC电阻电压+高压二极管正向压降(这个电压通常为0.5V)+下桥臂FET导通压降(这个电压通常为1.2V-1.5V之间)，所以NTC上的电压为MCU检测到的电压减去二极管压降减去FET管压降。该采样电路相比目前所用的温度检测关键的创新点是NTC电阻与分压电阻之间加入一个高压二极管，利用二极管的反向截止特性，当下桥关断时NTC电阻上的电压很高，导致二极管反向截止，此时芯片AD口的电压只有3.3V，这样就不会导致MCU高压损坏。

因此，根据如图1所示的电路，控制芯片的采样只能是在下桥FET开通进行，所以在电机驱动逻辑中需要进行改善，必须在下桥有开通的PWM信号时AD口开始电压采样才能得到NTC电阻的温度，进而得到器件内部结温。一般的功率器件为了保证其可靠性以及寿命，行业认为其内部晶圆结温不能超过150℃，因此当器件结温接近150℃时必须要进行停机保护，使其温度下降。因此在采集到器件内部结温T之后，当120℃≤T≤150℃，此时MCU判断出器件结温较高，需要进行功率限制，减小PWM信号的占空比。当检测到T＞150℃，此时MUC判断器件有损坏的可能，必须进行停机保护。

图2是根据本发明的一个示例性的实施例的一种IPM的桥臂结温检测装置的控制方法的流程图。

如图2所示，当用户上电时，空调器开始驱动电机运行，其中主控模块(MCU或主控芯片)MCU通过六路PWM驱动信号输出控制三相桥臂的各个FET开始开关动作，当下桥FET的驱动信号为高电平时，下桥开通，此时检测NTC电阻两端的电压；根据MCU检测到的电压减去所述二极管上的压降和下桥臂FET管的压降得到NTC电阻两端的电压，并根据NTC的电压温度曲线来获得所述桥臂的结温；所述控制模块将检测到的电压数据与NTC电阻的温度-电压曲线进行匹配，得到包含所述下桥臂的IPM桥臂的器件晶圆结温；当所述结温超过预设的温度阈值时，通过执行功率限制使得所述结温降低至预设温度阈值以下。其中所述驱动信号为PWM信号，通过减少PWM信号的占空比来执行功率限制。

根据本发明的一个或多个实施例，如图2所示，所述控制模块检测到IPM桥臂的结温在预定的阈值范围内时，对IPM桥臂进行功率限制；所述控制模块检测到IPM桥臂的结温超过所述阈值范围的上限值时，对IPM桥臂执行停机保护，其中预定的阈值范围为120℃≤T≤150℃，当120℃≤T≤150℃，此时MCU判断出器件结温较高，需要进行功率限制，减小PWM信号的占空比。当检测到T＞150℃，此时MUC判断器件有损坏的可能，必须进行停机保护。

本发明还提供了一种空调，其采用本发明上述的IPM的桥臂结温检测装置的控制方法，或包括本发明上述的IPM的桥臂结温检测装置。

在本发明的实施方案中，IPM或桥式器件上下两桥臂连接处的引脚，即上桥的漏级、下桥的源级处的引脚，此外置引脚温度近似于结温相等，但由于此处为300V-380V强电，故一般的热敏温度检测电路无法用于此处的温度检测，现通过搭载全新的电路及检测逻辑，上桥导通下桥关断，为强电时，通过二极管进行钳位保护，且此时不进行温度检测，下桥导通上桥关断时，此时该引脚为弱电，控制模块此时进行温度检测。因此，本发明的方案在检测逻辑上通过搭载检测逻辑使得仅在续流点进行检测，能够屏蔽强电干扰。

根据本发明的一个或多个实施例，还提供一种IPM桥臂或分立器件的三相桥臂结温检测装置，其中所述IPM包括多个桥臂，所述分立器件包括三相桥臂，其中每个桥臂包括上桥臂和下桥臂，下桥臂的漏极与上桥臂的源极相连，所述装置包括：NTC电阻、高压二极管、分压电阻和控制模块，

其中所述每个桥臂的下桥臂的漏极与NTC电阻的一端相连接，所述NTC电阻的另一端与高压二极管的阴极相连，所述高压二级管的阳极连接至分压电阻的第一端，分压电阻的另一端连接至源电压；

其中所述装置还包括控制模块，所述控制模块的电压采样正端连接在所述每个桥臂的高压二级管的阳极和分压电阻的第一端之间，用于检测每个桥臂的结温。

根据本发明的一个或多个实施例，本发明控制器的控制电路、(控制逻辑、主控***或控制模块)可以包含一个或多个处理器，也可以在内部包含有非暂时性计算机可读介质。具体地，主控***或控制模块可以包括微控制器MCU，主控芯片或处理器可以诸如但不限于一个或多个单核或多核处理器。(一个或多个)处理器可包括通用处理器和专用处理器(例如，图形处理器、应用处理器等)的任何组合。处理器可与其耦接和/或可包括计存储器/存储装置，并且可被配置为执行存储在存储器/存储装置中的指令，以实现在本发明中控制器上运行的各种应用和/或操作***。

作为本发明示例的上文涉及的附图和本发明的详细描述，用于解释本发明，但不限制权利要求中描述的本发明的含义或范围。因此，本领域技术人员可以很容易地从上面的描述中实现修改。此外，本领域技术人员可以删除一些本文描述的组成元件而不使性能劣化，或者可以添加其它的组成元件以提高性能。此外，本领域技术人员可以根据工艺或设备的环境来改变本文描述的方法的步骤的顺序。因此，本发明的范围不应该由上文描述的实施例来确定，而是由权利要求及其等同形式来确定。

尽管本发明结合目前被认为是可实现的实施例已经进行了描述，但是应当理解本发明并不限于所公开的实施例，而相反的，意在覆盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等同配置。

Claims (12)

1.一种桥臂结温检测装置，每个桥臂包括上桥臂和下桥臂，下桥臂的漏极与上桥臂的源极相连，所述装置包括：NTC电阻、高压二极管、分压电阻和控制模块，

其中所述下桥臂的漏极与NTC电阻的一端相连接，所述NTC电阻的另一端与高压二极管的阴极相连，所述高压二极管的阳极连接至分压电阻的第一端，分压电阻的另一端连接至源电压；

其中所述装置还包括控制模块，所述控制模块的电压采样正端连接在高压二极管的阳极和分压电阻的第一端之间，用于检测所述桥臂的结温。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，在所述下桥臂的漏极接近内部晶圆结温的引脚大面积铺设铜箔，将所述NTC电阻的一端设置在铜箔上方。

3.根据权利要求1所述的装置，所述控制模块电压参考地与下桥臂的源极相连，该连接点作为电压参考基准地。

4.根据权利要求1所述的装置，其中，当所述下桥臂关断时，所述高压二极管反向截止，所述控制模块电压采样正端的电压为源电压。

5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述控制模块在有下桥臂开通的PWM信号时，根据MCU检测到的电压减去所述高压二极管上的压降和下桥臂FET管的压降得到NTC电阻两端的电压，并根据NTC的电压温度曲线来获得所述桥臂的结温。

6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述控制模块检测到所述桥臂的结温在预定的阈值范围内时，对所述桥臂进行功率限制；

所述控制模块检测到所述桥臂的结温超过所述阈值范围的上限值时，对所述桥臂执行停机保护。

7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述预定的阈值范围为120℃至150℃。

8.一种桥臂结温检测装置的控制方法，其中所述桥臂检测结温装置为权利要求1-7任一项所述的装置，所述方法包括：

所述控制模块通过驱动信号输出控制所述桥臂中的场效应管的开始开关动作；

当所述桥臂的下桥臂的驱动信号为高电平时，所述下桥臂开通，所述控制模块检测NTC电阻两端的电压；

所述控制模块根据MCU检测到的电压减去所述高压二极管上的压降和下桥臂FET管的压降得到NTC电阻两端的电压，并根据NTC的电压温度曲线来获得所述桥臂的结温；

当所述结温超过预设的温度阈值时，通过执行功率限制使得所述结温降低至预设温度阈值以下。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述驱动信号为PWM信号，通过减少PWM信号的占空比来执行功率限制。

10.一种IPM桥臂结温检测装置，其中所述IPM包括多个桥臂，每个桥臂包括上桥臂和下桥臂，下桥臂的漏极与上桥臂的源极相连，所述装置包括：NTC电阻、高压二极管、分压电阻和控制模块，

其中所述每个桥臂的下桥臂的漏极与NTC电阻的一端相连接，所述NTC电阻的另一端与高压二极管的阴极相连，所述高压二极管的阳极连接至分压电阻的第一端，分压电阻的另一端连接至源电压；

其中所述装置还包括控制模块，所述控制模块的电压采样正端连接在所述每个桥臂的高压二极管的阳极和分压电阻的第一端之间，用于检测每个桥臂的结温。

11.一种分立器件桥臂结温检测装置，其中所述分立器件包括三相桥臂电路，其中每个桥臂包括上桥臂和下桥臂，下桥臂的漏极与上桥臂的源极相连，所述装置包括：NTC电阻、高压二极管、分压电阻和控制模块，

其中所述每个桥臂的下桥臂的漏极与NTC电阻的一端相连接，所述NTC电阻的另一端与高压二极管的阴极相连，所述高压二极管的阳极连接至分压电阻的第一端，分压电阻的另一端连接至源电压；

其中所述装置还包括控制模块，所述控制模块的电压采样正端连接在所述每个桥臂的高压二极管的阳极和分压电阻的第一端之间，用于检测每个桥臂的结温。

12.一种空调，其采用权利要求8-9中任一项所述的方法，或包括权利要求1-7,10,11任一项所述的装置。

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