智能功率模塊的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及功率驅(qū)動控制技術領域，具體而言，涉及一種智能功率模塊。
【背景技術】
[0002]智能功率模塊(IPM，Intelligent Power Module)，是一種結(jié)合電力電子技術和集成電路技術的功率驅(qū)動類產(chǎn)品。智能功率模塊把功率開關器件和高壓驅(qū)動電路集成在一起，并內(nèi)置有過電壓、過電流和過熱等故障檢測電路。智能功率模塊一方面通過接收MCU的控制信號并驅(qū)動后續(xù)電路工作，另一方面又將系統(tǒng)的狀態(tài)檢測信號反饋回MCU。與傳統(tǒng)分立方案相比，智能功率模塊以其高集成度、高可靠性等優(yōu)勢贏得越來越大的市場，尤其適合于驅(qū)動電機的變頻器及各種逆變電源，是用于變頻調(diào)速、冶金機械、電力牽引、伺服驅(qū)動及變頻家電的理想電力電子器件。
[0003]現(xiàn)有的智能功率模塊10的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中:
[0004]HVIC(High Voltage Integrated Circuit，高壓集成電路)管 101 的電源端 VCC作為智能功率模塊的低壓區(qū)供電正端VDD，VDD處的電壓一般為15V，HVIC管101內(nèi)部包含有自舉電路，該自舉電路的結(jié)構(gòu)如下:
[0005]HVIC管101的電源端VCC與自舉二極管Dl、自舉二極管D2、自舉二極管D3的陽極相連；自舉二極管Dl的陰極與HVIC管101的第一供電正端VBl相連，自舉二極管D2的陰極與HVIC管101的第二供電正端VB2相連，自舉二極管D3的陰極與HVIC管101的第三供電正端VB3相連；HVIC管101的第一輸入端INl、第二輸入端IN2及第三輸入端IN3分別作為智能功率模塊10的U相輸入端ΠΝ、V相輸入端VIN及W相輸入端WIN ;在此，智能功率模塊10的U、V、W三相的三路輸入信號的電壓范圍是O?5V ；HVIC管101的接地端GND作為智能功率模塊10的低壓區(qū)供電負端COM ；HVIC管101的第一供電正端VBl作為智能功率模塊10的U相高壓區(qū)供電正端UVB并連接至濾波電容Cl的一端，HVIC管101的第一高壓區(qū)控制端HOl與IGBT管Ql的柵極相連，HVIC管101的第一供電負端VSl與所述IGBT管Ql的射極、FRD管D4的陽極、IGBT管Q4的集電極、FRD管D7的陰極以及濾波電容Cl的另一端相連，并作為智能功率模塊10的U相高壓區(qū)供電負端UVS，濾波電容Cl連接于智能功率模塊10的U相高壓區(qū)供電正端UVB與U相高壓區(qū)供電負端UVS之間；HVIC管101的第二供電正端VB2作為智能功率模塊的V相高壓區(qū)供電正端VVB并連接至濾波電容C2的一端，HVIC管101的第二高壓區(qū)控制端H02與IGBT管Q2的柵極相連，HVIC管101的第二供電負端VS2與IGBT管Q2的射極、FRD管D5的陽極、IGBT管Q5的集電極、FRD管D8的陰極以及濾波電容C2的另一端相連，并作為智能功率模塊的V相高壓區(qū)供電負端VVS，濾波電容C2連接于智能功率模塊的V相高壓區(qū)供電正端VVB與V相高壓區(qū)供電負端VVS之間；HVIC管101的第三供電正端VB3作為智能功率模塊的W相高壓區(qū)供電正端WVB并連接至濾波電容C3的一端，HVIC管101的第三高壓區(qū)控制端H03與IGBT管Q3的柵極相連，HVIC管101的第三供電負端VS3與IGBT管Q3的射極、FRD管D6的陽極、IGBT管Q6的集電極、FRD管D9的陰極以及濾波電容C3的另一端相連，并作為智能功率模塊的W相高壓區(qū)供電負端WVS，濾波電容C3連接于智能功率模塊的W相高壓區(qū)供電正端WVB與W相高壓區(qū)供電負端WVS之間；HVIC管101的第一低壓區(qū)控制端L01、第二低壓區(qū)控制端L02及第三低壓區(qū)控制端L03分別與IGBT管Q4的柵極、IGBT管Q5的柵極以及IGBT管Q6的柵極相連；IGBT管Q4的射極與FRD管D7的陽極相連，并作為智能功率模塊的U相低電壓參考端UN ；IGBT管Q5的射極與FRD管D8的陽極相連，并作為智能功率模塊的V相低電壓參考端VN ；IGBT管Q5的射極與FRD管D9的陽極相連，并作為智能功率模塊的W相低電壓參考端WN ；IGBT管Ql的集電極、FRD管D4的陰極、IGBT管Q2的集電極、FRD管D5的陰極、IGBT管Q3的集電極、FRD管D6的陰極共接并作為智能功率模塊的高電壓輸入端P，P 一般接入300V電壓。
[0006]HVIC管101的作用是:VDD為HVIC管101的供電電源正端，GND為HVIC管101的供電電源負端，VDD-GND電壓一般為15V ；
[0007]將輸入端HN、VIN、WIN的O或5V的邏輯輸入信號分別傳到輸出端H01、H02、H03，UIN, VIN、WIN的反相信號分別傳到輸出端LOl、L02、L03，其中HOl、H02及H03所輸出的是VS?VS+15V的邏輯輸出信號，L01、L02、L03是O?15V的邏輯輸出信號；UIN、VIN、WIN進入HVIC管101的內(nèi)部被分成相位相反的兩個信號，比如分別被分成HINl和LIN1、HIN2和LIN2、HIN3和LIN3，則即同一相的輸入信號HINl和LINUHIN2和LIN2、HIN3和LIN3不能同時為高電平。
[0008]在實際應用時，智能功率模塊10的接線方法如圖2所示，外接電容C4連接于UVB與UVS之間，外接電容C5連接于VVB與VVS之間，外接電容C6連接于WVB與WVS之間；在此，濾波電容Cl、濾波電容C2、濾波電容C3主要起濾波作用，外接電容C4、外接電容C5、夕卜接電容C6主要起存儲電量作用；UN、VN、WN共接于電阻R的第一端和MCU管20的Pin7，電阻R的第二端與COM共接于地，MCU管20的Pinl與智能功率模塊10的UIN端相連，MCU管20的Pin2與智能功率模塊10的VIN端相連，MCU管20的Pin3與智能功率模塊10的WIN端相連，智能功率模塊10的VDD端一般接15V，智能功率模塊10的P端一般接300V。
[0009]以下是以U相為例說明智能功率模塊10的工作原理:
[0010]當MCU管20的Pinl發(fā)出低電平信號，該低電平信號HVIC管101的HOl為低電平，使HVIC管101的LOl為高電平，從而IGBT管Q4導通而所述IGBT管Ql截止，從而VSl電壓約為OV ;自舉二極管Dl正向偏置，VCC向濾波電容Cl及外接電容C4充電，當時間足夠長或使濾波電容Cl及外接電容C4充電前的剩余電量足夠多時，VBl對VSl獲得接近15V的電壓。
[0011]當所述MCU管20的Pinl發(fā)出高電平信號，該高電平信號使HVIC管101的HOl為高電平，使HVIC管101的LOl為低電平，從而IGBT管Q4截止而IGBT管Ql導通，從而VSl電壓約為300V，VB1電壓被抬高到315V左右，通過濾波電容Cl及外接電容C4的電量維持U相高壓區(qū)工作，如果HINl為高電平的持續(xù)時間足夠短或濾波電容Cl及外接電容C4存儲的電量足夠多，VBl對VSl在U相高壓區(qū)工作過程中的電壓可保持在14V以上。
[0012]而在實際應用中，因為U、V、W三相上下橋臂的電路不一致，所以理論上相位相反的兩個信號到達HVIC管101的兩個輸出端的時間不完全一致，當同一相的上下橋臂的信號的相位差不是嚴格的180°時，會導致上下橋臂同時導通的現(xiàn)象，以U相為例，如圖3所示，虛線所框區(qū)域，會出現(xiàn)上下橋臂同時導通現(xiàn)象，當虛線區(qū)域的持續(xù)時間大于5 μ S，會出現(xiàn)IGBT管被過熱燒毀的風險，一旦IGBT管過熱燒毀，會引起智能功率模塊爆炸，甚至導致火災發(fā)生；此外，即使虛線區(qū)域的持續(xù)時間不超過5 μ S，每次開關也會產(chǎn)生短暫的上下橋臂同時導通的現(xiàn)象，導致IGBT管發(fā)熱嚴重，不但影響能耗，而且會造成IGBT管長期處于疲勞工作狀態(tài)，壽命降低，使智能功率模塊存在安全隱患，在一定條件激發(fā)下可引發(fā)智能功率模塊整體燒毀或更嚴重后果。
[0013]雖然，部分智能功率模塊通過延時設計，使同一相的其中一個橋臂的占空比小于另一橋臂的占空比，但是，但為了保證智能功率模塊正常工作，同相兩橋臂的占空比不能相差太大，這就導致隨著應用環(huán)境的變化和元件的老化，會逐漸出現(xiàn)同相上下橋臂同時導通的情況，進而造成智能功率模塊長期使用過程中性能劣化、加速達到使用壽命。
[0014]因此，需要一種新的智能功率模塊，可根據(jù)環(huán)境變化自行調(diào)節(jié)同相上下橋臂的信號時間，以避免同時導通情況的發(fā)生，使智能功率模塊工作在安全狀態(tài)，進而延長智能功率模塊的使用壽命。
【實用新型內(nèi)容】
[0015]本實用新型旨在至少解決現(xiàn)有技術或相關技術中存在的技術問題之一。
[0016]為此，本實用新型的一個目的在于提出一種智能功率模塊，可根據(jù)環(huán)境變化自行調(diào)節(jié)同相上下橋臂的信號時間，以避免同時導通情況的發(fā)生。
[0017]為實現(xiàn)上述至少一個目的，根據(jù)本實用新型第一方面的實施例，提出了一種智能功率模塊，包括:第一采樣電阻，所述第一采樣電阻的第一端連接至所述智能功率模塊的U相下橋臂的IGBT管的射極和所述智能功率模塊的第一電壓信號采集端，所述第一采樣電阻的第二端作為所述智能功