CN102082524B - 一种智能功率装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种智能功率装置，包括封装成一体的功率半导体芯片、驱动电路、控制电路和电流传感器，该功率半导体芯片通过若干数量的IGBT芯片及FRD芯片按比例反并联连接而成四个桥臂结构；驱动电路与功率半导体芯片的栅极、集电极和发射极相连；控制电路与驱动电路连接，以控制功率半导体芯片的开通与关断；电流传感器获取检测功率半导体芯片的输出电流，将输出电流值发送到控制电路，控制电路依据输出电流值控制功率半导体芯片的功率输出。本发明集成多个功能元件，集成度较高，可节约设备空间。
Description
技术领域
本发明涉及电动汽车领域，特别是涉及一种电动汽车用智能功率装置。
背景技术
IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor绝缘栅双极型晶体管)是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件，其输入极为MOSFET，输出极为P-N-P晶体管，结合了这两种器件的优点，既具有MOSFET器件驱动功率小和开关速度快的优点，又具有双极型器件饱和压降低而容量大的优点。IGBT频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十kHz频率范围内，在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用，在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。
参见图1，示出IGBT的等效电路，若在IGBT的栅极G和发射极E之间加上驱动正电压，则MOSFET导通，这样PNP晶体管的集电极C与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通；若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V，则MOS截止，切断PNP晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。IGBT与MOSFET一样也是电压控制型器件，在它的栅极G-发射极E间施加十几V的直流电压，只有在uA级的漏电流流过，基本上不消耗功率。
一般情况下，一个IGBT模块只作为一个开关元件来使用，其它各功能元件（如驱动电路、控制电路等）设置在IGBT模块外，与IGBT模块连接，共同作用。各功能元件设置在IGBT模块外，会占用较大的空间，集成度较低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种智能功率装置，该装置集成多个功能元件，并在模块内部实现多个开关元件的串并联，从而实现变流器的功能，且集成度较高，可节约设备空间。
本发明提供一种智能功率装置，包括封装成一体的功率半导体芯片、驱动电路、控制电路和电流传感器，功率半导体芯片通过若干数量的IGBT芯片及FRD芯片按比例反并联连接而成四个桥臂结构，驱动电路与功率半导体芯片的栅极、集电极和发射极相连，控制电路与驱动电路连接，以控制功率半导体芯片的开通与关断；电流传感器获取检测功率半导体芯片的输出电流，将输出电流值发送到控制电路，控制电路依据输出电流值控制功率半导体芯片的功率输出；
所述IGBT芯片与所述FRD芯片反并联连接，构成8个开关电路单元；
所述8个开关电路单元中一个开关电路单元只有FRD芯片而没有IGBT芯片；
所述8个开关电路单元两两串联，组成4个并联的桥臂；
所述四个桥臂的中间都有一个输出端，分别为端口A、B、C、D；
所述只有FRD芯片而没有IGBT芯片的开关电路单元组成的桥臂端口D用于连接斩波电阻；
所述桥臂端口A、B和C为功率输出端，用于接电机。
优选的，还包括：与所述装置封装成一体的温度传感器，温度传感器放置在功率半导体芯片处，信号输出端与控制电路连接；温度传感器检测功率半导体芯片的温度，将温度值发送到控制电路，控制电路依据温度值控制功率半导体芯片的功率输入。
优选的，所述功率半导体芯片焊接在衬板上。
优选的，温度传感器焊接在衬板上。
优选的，其特征在于，电流传感器焊接在衬板上。
优选的，所述衬板通过辅助电极连接第一PCB板。
优选的，所述智能功率装置的顶部为第二PCB板。
优选的，所述第一PCB板和第二PCB板之间通过辅助电极连接。
优选的，所述驱动电路和控制电路设置在第二PCB板上。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明智能功率装置是在传统IGBT模块封装的基础上，将驱动电路、控制电路、电流传感器、及温度传感器全部集成一个IGBT模块内，该智能功率装置的封装工艺与传统IGBT模块的封装工艺相兼容。从功能上看，本发明智能功率装置就是一个变流器，而不再是一个简单的开关元件。本发明温度传感器和电流传感器集成到功率半导体芯片上，从而可以更加准确地检测温度和电流，提高系统的可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，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来讲，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为现有IGBT的等效电路图；
图2为本发明智能功率装置结构图；
图3为本发明功率半导体芯片单元结构图；
图4为本发明功率半导体芯片结构图；
图5为智能功率装置电路原理图；
图6为智能功率装置剖视图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明将电动汽车变流器功能集成到IGBT模块内，使IGBT模块不仅可以实现开关功能，还可以实现变流器的功能，成为智能功率装置，从而减少对设备体积的占用，还可有效提高可靠性。
参见图2，示出本发明智能功率装置结构，包括封装成一体的功率半导体芯片21、驱动电路22、控制电路23、温度传感器24和电流传感器25。驱动电路22与功率半导体芯片21的栅极、集电极和发射极相连，控制电路23与驱动电路22连接，以控制功率半导体芯片21的开通与关断，外部信号经过控制电路23和驱动电路22输入功率半导体芯片21；温度传感器24放置在功率半导体芯片21处，其信号输出端与控制电路23连接；电流传感器25的感应端连接在功率半导体芯片21的三个臂桥的电流输出端，电流传感器25的信号输出端连接控制电路23。
参见图3和图4，功率半导体芯片21包括多个IGBT芯片和FRD芯片，IGBT芯片与FRD芯片反并联连接，构成IGBT单元，多个IGBT单元按一定规则连接，构成功率半导体芯片21。功率半导体芯片21通过若干数量的IGBT芯片及FRD芯片反并联连接。即IGBT芯片的发射极与FRD芯片的阳极相连，IGBT芯片的集电极与FRD芯片的阴极相连，构成8个开关电路单元。图4中，开关电路单元8只有FRD芯片而没有IGBT芯片，8个开关单元两两串联，组成4个并联的桥臂，每个桥臂的中间都有一个输出端，分别为端口A、B、C、D。
工作时，温度传感器24检测功率半导体芯片21的温度，将温度值发送到控制电路23，控制电路23根据温度值控制功率半导体芯片21的功率输入，避免功率半导体芯片21温度过高，损坏功率半导体芯片21。
电流传感器25获取检测功率半导体芯片21的输出电流，将输出电流值发送到控制电路23，控制电路23依据输出电流值控制功率半导体芯片21的功率输出，带动负载运行。
本发明温度传感器24和电流传感器25集成到功率半导体芯片上，从而可以更加准确地检测温度和电流，提高系统的可靠性。
图5为智能功率装置电路原理图。In1和In2为功率输入端，接直流母线；A、B、C为功率输出端，接电机；D端接斩波电阻。Ia、Ib、Ic和Ichop为用于检测电流的取样电阻，起到电流传感器的作用；T为用于检测温度的温度传感器24。
图6为智能功率装置剖视图。将功率半导体芯片21（IGBT芯片和FRD芯片）按照一定的比例通过焊料焊接在衬板51上，其中IGBT芯片与FRD芯片为反并联连接，将温度传感器24和电流传感器25焊接在衬板上。
将多个衬板21通过焊料焊接到基板52上，功率半导体芯片21的电极都将通过引线53在衬板上进行互连；衬板51与衬板51的互连需要使用PCB（Printed Circuit Board）板56来进行辅助，从而形成如图6所示的电路结构。而PCB1与衬板51之间使用辅助电极54进行连接。
智能功率装置装配塑料外壳55，对塑料外壳55内灌注绝缘胶。智能功率装置的顶部为PCB板57，该PCB板57与PCB板56通过辅助电极进行连接，PCB板57集成了控制电路22和驱动电路23。智能功率装置被安装到散热器上，构成了电动汽车用变流器。
基板52采用铜基板或热导率更高的材料，并且较厚，可以利用基板52同时作为散热器的功能，不需另外外接散热器，缩小智能功率装置的体积。该智能功率装置业余散热器焊接在一起，散热器焊接在智能功率装置底部。
本发明提供的电动汽车用集成智能功率装置是在IGBT模块封装的基础上，将驱动电路、控制电路、电流传感器、及温度传感器全部集成一个模块内。驱动电路、控制电路电流传感器、及温度传感器可以先在PCB上实现，然后再将PCB封装到IGBT模块内。该智能功率装置的封装工艺与IGBT模块的封装工艺相兼容。
将电动汽车变流器的功能集成到一个IGBT模块内，通过一个IGBT模块来实现现有电动汽车变流器的功能，从而缩小变流器的体积，并提高变流器的可靠性。
本发明智能功率装置所使用的功率半导体芯片可以是硅材料，也可以是碳化硅材料。功率半导体芯片为IGBT芯片和FRD芯片，或者是将IGBT芯片和FRD芯片集成到一起的功率半导体芯片。
传统的IGBT模块是将IGBT芯片和FRD芯片通过反并联连接，封装在一个模块内，起到开关元件的作用。同样地，传统的变流器需要使用8个IGBT模块通过一定的电路连接（两两串联再并联）组成4个桥臂的结构（其中三个桥臂用来作为输出连接驱动电机，另外一个桥臂用来做斩波），再配以驱动电路和控制电路以及专用散热器才能实现。本发明则是由8个芯片/衬板级的开关元件封装到一个模块内，同时将驱动电路和控制电路以及传感器一起也封装到同一个模块内，并利用该模块的基板进行散热，起到器散热的作用。因此，本发明智能功率装置实质为具有变流器功能的模块，完全可以替代传统的变流器。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，也可以上述具体实施方式的进行组合，这些改进、润饰及组合形成的技术方案也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种智能功率装置，其特征在于，包括封装成一体的功率半导体芯片、驱动电路、控制电路和电流传感器，功率半导体芯片通过若干数量的IGBT芯片及FRD芯片按比例反并联连接而成四个桥臂结构，驱动电路与功率半导体芯片的栅极、集电极和发射极相连，控制电路与驱动电路连接，以控制功率半导体芯片的开通与关断；电流传感器获取检测功率半导体芯片的输出电流，将输出电流值发送到控制电路，控制电路依据输出电流值控制功率半导体芯片的功率输出；
所述IGBT芯片与所述FRD芯片反并联连接，构成8个开关电路单元；
所述8个开关电路单元中一个开关电路单元只有FRD芯片而没有IGBT芯片；
所述8个开关电路单元两两串联，组成4个并联的桥臂；
所述四个桥臂的中间都有一个输出端，分别为端口A、B、C、D；
所述只有FRD芯片而没有IGBT芯片的开关电路单元组成的桥臂端口D用于连接斩波电阻；
所述桥臂端口A、B和C为功率输出端，用于接电机。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：与所述装置封装成一体的温度传感器，温度传感器放置在功率半导体芯片处，信号输出端与控制电路连接；温度传感器检测功率半导体芯片的温度，将温度值发送到控制电路，控制电路依据温度值控制功率半导体芯片的功率输入。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述功率半导体芯片焊接在衬板上。
4.如权利要求2所述的装置，其特征在于，温度传感器焊接在衬板上。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，电流传感器焊接在衬板上。
6.如权利要求4或5所述的装置，其特征在于，所述衬板通过辅助电极连接第一PCB板。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述智能功率装置的顶部为第二PCB板。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第一PCB板和第二PCB板之间通过辅助电极连接。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述驱动电路和控制电路设置在第二PCB板上。
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