專(zhuān)利名稱(chēng)：高集成智能型功率模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種智能型功率模塊(High-Integrated Intelligent Power Module,簡(jiǎn)寫(xiě)為HIPM))，特別涉及一種利用新型模塊(電路)來(lái)進(jìn)一步 提升智能型功率模塊(IPM)集成度的高集成智能型功率模塊。
背景技術(shù)：
智能功率模塊，即IPM (Intelligent Power Module),不僅把功率開(kāi)關(guān)器 件IGBT和驅(qū)動(dòng)電路集成在一起，而且還具有欠電壓、過(guò)電流和過(guò)熱等故 障檢測(cè)、保護(hù)功能，并可將錯(cuò)誤信號(hào)輸出至CPU。因此，使用智能型功率 模塊的系統(tǒng)，在系統(tǒng)發(fā)生負(fù)載事故或使用不當(dāng)情況下，仍能保證IPM自身 不受損壞。IPM以其高可靠性、低損耗、低開(kāi)發(fā)成本正贏得越來(lái)越大的市 場(chǎng)，尤其適合用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的變頻器和各種逆變電源。它是變頻調(diào)速，冶 金機(jī)械，電力牽引，伺服驅(qū)動(dòng)，變頻家電的一種非常理想的電力電子器件。
IPM發(fā)展至今，其體積和功耗正在逐步減小，其功能越來(lái)越完善。然 而，以幵發(fā)和使用簡(jiǎn)便作為其優(yōu)勢(shì)的IPM,其集成度并未得到跨越式發(fā)展。 現(xiàn)在市場(chǎng)主流IPM，仍然存在如下問(wèn)題
1、三相全橋結(jié)構(gòu)封裝的IPM開(kāi)通和關(guān)斷，其上橋臂的IGBT驅(qū)動(dòng)電路 需要大量外圍電路配合，所以集成度較低。2、外圍電路中大容值電容的使 用和下橋臂長(zhǎng)時(shí)間幵關(guān)導(dǎo)通所引起的負(fù)壓?jiǎn)栴}，會(huì)導(dǎo)致上橋臂誤觸發(fā)，很 顯然這不僅增加了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，也增加系統(tǒng)搭建的成本。3、為搭建低 成本控制系統(tǒng)電流檢測(cè)，IPM模塊由最初的單一N端輸出，發(fā)展到如今分采集回路, 增加用戶(hù)的開(kāi)發(fā)難度，在使用不慎情況下會(huì)造成系統(tǒng)損壞。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是研究出一種高集成智能型功率模塊。 本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有市場(chǎng)中IPM需要外圍充電電路提供懸浮電源觸發(fā)三 相上橋臂IGBT，三相N端電流檢測(cè)接口功能不完善、集成度不高的問(wèn)題， 提出了一種高集成智能型功率模塊。
本發(fā)明的技術(shù)方案是包括外殼和功率基板，在外殼內(nèi)集成有功率模 塊、驅(qū)動(dòng)模塊，外殼內(nèi)還集成有內(nèi)置輔助模塊，所述的內(nèi)置輔助模塊至少 包括懸浮電源模塊、平行板電容矩陣模塊、時(shí)間常數(shù)設(shè)置電容模塊、短路 保護(hù)模塊、三相N端電流檢測(cè)模塊和溫度檢測(cè)模塊；驅(qū)動(dòng)模塊上連接有懸 浮電源模塊、時(shí)間常數(shù)設(shè)置電容模塊、短路保護(hù)模塊、溫度檢測(cè)模塊；功 率模塊上連接有三相N端電流檢測(cè)模塊，平行板電容矩陣模塊和懸浮電源 模塊入驅(qū)動(dòng)模塊連接。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn) 一是沒(méi)有外圍自舉充電電容，所以無(wú)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間限
制，大幅降低了HVIC(高壓集成電路)誤動(dòng)作，二是系統(tǒng)中使用本發(fā)明，
系統(tǒng)搭建更為簡(jiǎn)便。三是集成度高，本發(fā)明利用新型材料填充組裝工藝在
IPM內(nèi)設(shè)置自舉充電電路、穩(wěn)壓及時(shí)間設(shè)定電容，大大提高了集成度。
圖l是本發(fā)明外部引腳示意圖2是本發(fā)明內(nèi)部各功能模塊框圖；圖3是本發(fā)明內(nèi)置懸浮電源模塊結(jié)構(gòu)示意圖4是本發(fā)明三相N端電流檢測(cè)功能模塊結(jié)構(gòu)示意圖5是依照鋪銅工藝生成電阻示意圖6是嵌入式工藝生成平面電阻示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。 如圖1所示，是本發(fā)明的外部引腳示意圖。本發(fā)明利用新型材料填 充組裝工藝，在不增加IPM體積進(jìn)行封裝的前提下，減少了常規(guī)定義的外 部管腳，本發(fā)明僅需17根管腳，包括直流供電電源管腳(引腳l與引腳 2)、錯(cuò)誤輸出信號(hào)(引腳3)、六路PWM控制信號(hào)(引腳4—引腳9)、三 相N端電流檢測(cè)信號(hào)(引腳IO—引腳12)、功率側(cè)直流(引腳13與引腳 17)、三相輸出引腳(引腳14一引腳16)。本發(fā)明通過(guò)大大減少常規(guī)IPM外 部引腳，使得IPM的集成度更高，可靠性更強(qiáng)，從而使得其應(yīng)用和系統(tǒng)搭 建更為簡(jiǎn)便。
圖2所示是本發(fā)明外殼內(nèi)部各功能模塊框圖。本發(fā)明的外殼內(nèi)部集成 有功率模塊、驅(qū)動(dòng)模塊和內(nèi)置輔助模塊。所述的內(nèi)置輔助模塊至少包括懸 浮電源模塊l、平行板電容矩陣模塊2、時(shí)間常數(shù)設(shè)置電容模塊3、短路保 護(hù)模塊4、三相N端電流檢測(cè)模塊5和溫度檢測(cè)模塊6。驅(qū)動(dòng)模塊上連接有 懸浮電源模塊l、時(shí)間常數(shù)設(shè)置電容模塊3、短路保護(hù)模塊4、溫度檢測(cè)模 塊6;功率模塊上連接有三相N端電流檢測(cè)模塊5，平行板電容矩陣模塊2 和懸浮電源模塊l、驅(qū)動(dòng)模塊連接。
圖3是本發(fā)明的內(nèi)置懸浮電源模塊1結(jié)構(gòu)示意圖。內(nèi)置懸浮電源模塊1，包括一個(gè)自激震蕩之信號(hào)源、高速開(kāi)關(guān)Sl與S2、 二極管Dl與D2、平行
板電容CH與Cl以及電阻Rd，它們組成無(wú)需下管導(dǎo)通而可直接供電的電源，由此實(shí)現(xiàn)單脈沖控制的Q^與CH電源傳輸?shù)耐〝嗷ユi，即Sl導(dǎo)通時(shí)，CL充電，此時(shí)S2關(guān)斷；Sl關(guān)斷時(shí)，S2導(dǎo)通，CL給CH充電，上管可順利實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通控制。所述的高速開(kāi)關(guān)Sl為N型MOS，高速開(kāi)關(guān)S2為P型MOS。本發(fā)明的內(nèi)置懸浮電源模塊l并不需要大容值的電容供電，因此電容可用小容量的嵌入式平行板電容，它不會(huì)影響懸浮電源模塊1對(duì)上管供電的工作特性。
平行板電容矩陣模塊2為利用封裝工藝形成的平行板電容矩陣。它是利用功率基板線(xiàn)路之間的幾何結(jié)構(gòu)，在輸入引腳與內(nèi)部COM之間，填入高介電常數(shù)之材料直接形成的平行板電容矩陣。平行板電容矩陣模塊2用于三相六路驅(qū)動(dòng)信號(hào)的濾波，以及FO錯(cuò)誤輸出信號(hào)的濾波。本發(fā)明HIIPM三相六路PWM控制信號(hào)可直接連接至CPU,且無(wú)下管導(dǎo)通時(shí)序的限制。對(duì)上管的導(dǎo)通控制而言，解除了實(shí)際整流、逆變等應(yīng)用電路中，上管導(dǎo)通時(shí)序及持續(xù)時(shí)間對(duì)于下橋臂的開(kāi)關(guān)約束。
時(shí)間常數(shù)設(shè)置電容模塊3，設(shè)于最接近驅(qū)動(dòng)模塊(IC)特定管腳處。它利用功率基板線(xiàn)路之間的幾何結(jié)構(gòu)，在最接近驅(qū)動(dòng)模塊特定管腳處填入高介電常數(shù)材料，如碳酸鋇，直接形成平行板電容。它是依靠工藝封裝實(shí)現(xiàn)平行板電容內(nèi)置于HIIPM內(nèi)部，因此外部無(wú)時(shí)間常數(shù)設(shè)置引腳。
短路保護(hù)模塊(電路)4，它是依靠工藝封裝實(shí)現(xiàn)平行板電容與無(wú)感、高精度、低熱影響電阻形成的濾波RC模塊(電路)，內(nèi)置于HIIPM內(nèi)部，因此外部無(wú)短路保護(hù)引腳。此模塊4優(yōu)化了短路保護(hù)中引線(xiàn)長(zhǎng)度和路徑，使得HIIPM短路保護(hù)能力得到完善。具體如圖5所示，它是依靠 銅工藝形成，通過(guò)在IPM模塊內(nèi)的控制電路板上鋪銅，產(chǎn)生一定寬度和長(zhǎng)度的銅線(xiàn)，以生成設(shè)定阻值的電阻，由此工藝形成之的嵌入式電阻具有高精度、高線(xiàn)性、低感性、對(duì)頻率不敏感的特點(diǎn)，非常適合制作IPM內(nèi)部(適合鋁基板)的集成電流檢測(cè)電阻。圖5中R為鋪銅形成的等效電阻，7為通孔，8為電路板底層銅線(xiàn)，9為電路板頂層銅線(xiàn)。
圖4是本發(fā)明三相N端電流檢測(cè)功能模塊結(jié)構(gòu)示意圖。它利用功率基板之走線(xiàn)之幾何結(jié)構(gòu)，把低雜散電感，低溫度系數(shù)，高功率與高精度的嵌入式檢測(cè)電阻Rsu、 Rsv、 Rsw集成于功率基板上，并作為信號(hào)輸出單獨(dú)引出至信號(hào)端，引腳IO、 11、 12在功率端直接以單個(gè)N端輸出，并利用灌膠封裝方式予以保護(hù)。
溫度檢測(cè)模塊(電路)6集成于HIIPM內(nèi)，即將過(guò)溫保護(hù)集成于HIIPM內(nèi)部。
圖6為嵌入式工藝生成平面電阻的示意圖，其中10為IPM模塊控制電路基板材料。本發(fā)明依靠平行條電阻串聯(lián)，形成預(yù)定之電阻值。其計(jì)算公式為
其中，L為單條平行電阻長(zhǎng)度，W為平行板電阻寬度，t為平行板電阻的深度。
由圖中可看到，相鄰平行條電阻中電流回路為逆向，可有效的抵消其自感，因此構(gòu)成的嵌入式電阻具有極低自感值。本發(fā)明的特點(diǎn)
1、懸浮電源模塊l特點(diǎn)，它包含一個(gè)自激震蕩之信號(hào)源、兩個(gè)高速關(guān)開(kāi)、兩個(gè)二極管、兩個(gè)電容，它形成與主功率開(kāi)關(guān)(具體)斷路的充電
(re-flash)的機(jī)制。懸浮電源的產(chǎn)生與主功率開(kāi)關(guān)之導(dǎo)通與否無(wú)關(guān)，此作法可大幅降低自舉充電電容之容值。降低自舉電容之容值， 一方面降低負(fù)壓沖擊，避免負(fù)壓導(dǎo)致的誤觸發(fā)故障，另一方面，為封裝直接實(shí)現(xiàn)平行板電容在IPM中的使用提供了可能。
2、 本發(fā)明進(jìn)一步優(yōu)化三相N端作為低成本系統(tǒng)中電流檢測(cè)功能，將三臂電流檢測(cè)之電阻集成于功率基板上，并作為信號(hào)輸出單獨(dú)引出至信號(hào)端，在功率端直接以單個(gè)N端輸出，并利用灌膠封裝方式予以保護(hù)。在具體實(shí)施中，利用功率基板之走線(xiàn)之幾何結(jié)構(gòu)，達(dá)到低雜散電感、低溫度系數(shù)、高功率與高精度的檢測(cè)電阻。
3、 本發(fā)明所提供的高集成智能型功率模塊(HIIPM)，嵌入式電容中平行板電容的電容量大小取決于絕緣層的厚度和介電常數(shù)，同時(shí)還與電路板的尺寸有關(guān)系
C=ADkK/t
其中
C-全部的電容量A-面積Dk-介電常數(shù)K是常數(shù)由以上公式可得知，可通過(guò)在絕緣層中填充高介電常數(shù)的新型材料(如鈦酸鋇)來(lái)獲得更高的電容量，利用功率基板線(xiàn)路之間的幾何結(jié)構(gòu)，于最
接近驅(qū)動(dòng)模塊(IC)之管腳處填入高介電常數(shù)之材料直接形成平行板電容，在IPM封裝中實(shí)現(xiàn)預(yù)定之電容值。
4、本發(fā)明因驅(qū)動(dòng)之HVIC的回路所產(chǎn)生的雜散電感已經(jīng)最小化，除下臂開(kāi)關(guān)導(dǎo)通所產(chǎn)生之負(fù)電壓幅值可大為降低外，同時(shí)因懸浮電源的容值也大為減小，下臂開(kāi)關(guān)導(dǎo)通所產(chǎn)生之負(fù)電壓的維持的時(shí)間也大幅縮減，故可有效的解決HVIC因負(fù)壓太大而造成誤動(dòng)作的問(wèn)題。
權(quán)利要求
1、一種高集成智能型功率模塊，包括外殼和功率基板，在外殼內(nèi)集成有功率模塊、驅(qū)動(dòng)模塊，其特征在于外殼內(nèi)還集成有內(nèi)置輔助模塊，所述的內(nèi)置輔助模塊至少包括懸浮電源模塊、平行板電容矩陣模塊、時(shí)間常數(shù)設(shè)置電容模塊、短路保護(hù)模塊、三相N端電流檢測(cè)模塊和溫度檢測(cè)模塊；驅(qū)動(dòng)模塊上連接有懸浮電源模塊、時(shí)間常數(shù)設(shè)置電容模塊、短路保護(hù)模塊、溫度檢測(cè)模塊；功率模塊上連接有三相N端電流檢測(cè)模塊，平行板電容矩陣模塊和懸浮電源模塊入驅(qū)動(dòng)模塊連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高集成智能型功率模塊，其特征在于內(nèi)置懸 浮電源模塊包括一個(gè)自激震蕩之信號(hào)源、高速開(kāi)關(guān)S1與S2、 二極管D1與 D2、平行板電容CH與CL以及電阻RcP它們組成無(wú)需下管導(dǎo)通而可直接 供電的電源；所述的高速開(kāi)關(guān)S1為N型MOS，高速開(kāi)關(guān)S2為P型MOS。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的高集成智能型功率模塊，其特征在于平行板 電容矩陣模塊利用功率基板線(xiàn)路之間的幾何結(jié)構(gòu)，在輸入引腳與內(nèi)部COM 之間，填入高介電常數(shù)材料直接形成；平行板電容矩陣模塊用于三相六路 驅(qū)動(dòng)信號(hào)和FO錯(cuò)誤輸出信號(hào)的濾波。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高集成智能型功率模塊，其特征在于時(shí)間常 數(shù)設(shè)置電容模塊設(shè)于最接近驅(qū)動(dòng)模塊特定管腳處，填入高介電常數(shù)之材料， 直接形成平行板電容。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高集成智能型功率模塊，其特征在于短路保 護(hù)模塊是依靠工藝封裝的平行板電容與無(wú)感、高精度、低熱影響電阻形成 的濾波RC模塊。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高集成智能型功率模塊，其特征在于三相N 端電流檢測(cè)模塊的三臂電流檢測(cè)電阻Rsu、 Rsv、 Rsw集成于功率基板上， 并作為信號(hào)輸出腳單獨(dú)引出。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種高集成智能型功率模塊，它包括外殼和功率基板，在外殼內(nèi)集成有功率模塊、驅(qū)動(dòng)模塊，外殼內(nèi)還集成有內(nèi)置輔助模塊，所述的內(nèi)置輔助模塊至少包括懸浮電源模塊、平行板電容矩陣模塊、時(shí)間常數(shù)設(shè)置電容模塊、短路保護(hù)模塊、三相N端電流檢測(cè)模塊和溫度檢測(cè)模塊。本發(fā)明適合用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的變頻器和各種逆變電源。
文檔編號(hào)H02M1/00GK101656466SQ20091010224
公開(kāi)日2010年2月24日 申請(qǐng)日期2009年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月10日
發(fā)明者何曉東, 戴志展, 汪水明, 華 沈 申請(qǐng)人:嘉興斯達(dá)微電子有限公司