CN102208799A - 用于智能功率模块的过热保护电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种用于智能功率模块的过热保护电路及其控制方法，用于智能功率模块的过热保护电路，包括电压比较器和恒压源，其特征是还包括输出电压骤变型热敏电路，输出电压骤变型热敏电路的供电电源的正端为V_CC、负端为GND；输出电压骤变型热敏电路的输出端与电压比较器的正端相连；电压比较器的负端与恒压源的正端相连，恒压源的电压记为U_B，恒压源的负端与GND相连，恒压源的输出端记为OUT。本发明在温度保护点附近不存在比较电压过渡区域，使智能功率模块的温度保护点可以被精确控制，从而确保智能功率模块工作在安全温度范围内，提高智能功率模块的使用寿命，并可避免智能功率模块因温度过高而烧毁造成的整机损坏。

Description

用于智能功率模块的过热保护电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种过热保护电路，特别是一种用于智能功率模块的过热保护电路及其控制方法。

背景技术

智能功率模块，即IPM(Intelligent Power Module)，是一种将电力电子和集成电路技术结合的功率驱动类产品。智能功率模块把功率开关器件和高压驱动电路集成在一起，并内藏有过电压、过电流和过热等故障检测电路。智能功率模块一方面接收MCU的控制信号，驱动后续电路工作，另一方面将系统的状态检测信号送回MCU。与传统分立方案相比，智能功率模块以其高集成度、高可靠性等优势赢得越来越大的市场，尤其适合于驱动电机的变频器及各种逆变电源，是变频调速，冶金机械，电力牵引，伺服驱动，变频家电的一种理想电力电子器件。

智能功率模块属于大功率器件，工作时发热量较大，并且其应用场合的环境温度通常较高，为了保证智能功率模块内的驱动IC、IGBT等器件的工作温度不超出其可用范围，避免发生意想不到的情况，智能功率模块通常都会集成过热保护电路，在温度超过某一值时，过热保护电路使智能功率模块停止工作。

目前传统的用于智能功率模块的过热保护电路，如图1所示：过热保护电路的供电电源的正端为Vcc、负端为GND，正温度系数热敏电阻101的一端连接供电电源的正端Vcc，正温度系数热敏电阻101的另一端连接PNP管103的基极；电容102与正温度系数热敏电阻101并联；电阻107的一端与PNP管103的基极相连，电阻107的另一端接GND；PNP管103的射极连接Vcc，PNP管103的集电极连接电阻104；电阻104的一端与PNP管103的集电极相连，电阻104的另一端连接电压比较器108的正输入端；电阻105的一端与电压比较器108的正端相连，电阻105的另一端连接GND；恒压源106的正端与电压比较器108的负输入端相连，恒压源106的负端连接GND；电压比较器108的输出记为OUT。

图1所示的过热保护电路的工作原理如下：

(1)当温度比较低的时候，正温度系数热敏电阻101的阻值(记为R1)远小于电阻107的阻值(记为R7)，此时PNP管103的基极电压V_B：

$V_B=V_{\mathrm{CC}}\·\frac{R7}{R1+R7}\≈V_{\mathrm{CC}},$

PNP管103的射极-基极间电压V_EB：

V_EB＝V_CC-V_B≈0，

即此时PNP管103的射极-基极间电压V_EB远小于导通电压0.7V，PNP管103截止，电压比较器108的正端电压记为U_A，该U_A为0，小于电压比较器108的负端电压，电压比较器108的负端电压记为U_B。电压比较器108的输出OUT为低电平。

(2)当温度比较高的时候，正温度系数热敏电阻101的阻值变得很大，将PNP管103的阈值电压记为V_TH，直到R1满足以下条件：

$V_{\mathrm{CC}}-V_{\mathrm{CC}}\·\frac{R7}{R1+R7}>V_{\mathrm{TH}},$

PNP管103导通；

温度继续增大，正温度系数热敏电阻101阻值远大于电阻107的阻值，但因为PNP管103的射极-基极电流极小，由于PN结的钳位作用，PNP管103的射极-基极间电压V_EB会保持在0.7V左右；当为电阻107、电阻104(阻值记为R4)和电阻105(阻值记为R5)设计适当的值，可使PNP管103工作在饱和区，PNP管103射极-集电极间的压降V_EC很小，电压比较器108的正端电压U_A：

$U_A\≈V_{\mathrm{CC}}\·\frac{R5}{R4+R5},$

为所述电阻104和电阻105设计适当的值，可使UA＞UB，电压比较器108的输出OUT为高电平。

图2是一种典型的正温度系数热敏电阻的温度-电阻变化曲线。

在温度T1时，正温度系数热敏电阻101对应的电阻为R1_T1，此时PNP管103的射极-基极间电压V_EBT1：

$V_{\mathrm{EBT}1}=V_{\mathrm{CC}}-V_{\mathrm{CC}}\·\frac{R7}{{R1}_{T1}+R7}=V_{\mathrm{CC}}\·\frac{{R1}_{T1}}{{R1}_{T1}+R7},$

在温度T2时，正温度系数热敏电阻101对应的电阻为R1_T2，此时PNP管103的射极-基极间电压V_EBT2：

$V_{\mathrm{EBT}2}=V_{\mathrm{CC}}-V_{\mathrm{CC}}\·\frac{R7}{{R1}_{T2}+R7}=V_{\mathrm{CC}}\·\frac{{R1}_{T2}}{{R1}_{T2}+R7},$

当V_EBT1和V_EBT2的值与PNP管103的导通阈值V_TH接近时，会使PNP管103工作在放大区，集电极电流I_C与射极-基极间电压V_EB的关系为：

$I_C=h_{\mathrm{FE}}\·I_S\·e^{\frac{V_{\mathrm{EB}}}{V_T}},$

其中，h_FE为PNP管的电流放大倍数，I_S为PNP管的反向饱和电流，V_T是一个与温度有关的参数。

可见，I_C与V_EB是指数关系，V_EB的微小变化会引起I_C的极大变动；

而此时电压比较器108的正端电压U_A：

U_A＝I_C·R5，

在过渡区T1～T2间，总能找到某一个温度点T3，此时正温度系数热敏电阻101的阻值为R1_T3，满足：

$U_B=U_A=h_{\mathrm{FE}}\·I_S\·R5\·e^{\frac{V_{\mathrm{CC}}}{V_T}\·\frac{{R1}_{T3}}{{R1}_{T3}+R7}},$

则T3为其温度转折点。

无论是何种热敏电阻，都不可能做到阻值随温度骤变，如图2所示的过渡区域是必然存在的，对于不同的热敏电阻的个体过渡温度带离散性较大，一般只能控制在典型值10％左右；而PNP管的I_S、h_FE及V_T的值的离散性更是难以控制及准确测量，因此，T3的值的一般是无法准确预计的；单纯靠热敏电阻控制PNP管通断的方法是难以确保智能功率模块在到达极限工作温度Tw前对智能功率模块进行过热保护的。

智能功率模块进行量产测试时，因为测试效率的原因，一般无法加入温度保护点测试的项目，智能功率模块作为功率器件，其正常工作条件与温度有直接关系，因此，对于使用上述方法进行温度保护的智能功率模块，由于过热保护点难以控制，即使同一批次也会出现部分智能功率模块工作在超负荷状态，轻则降低智能功率模块使用寿命，严重时甚至会造成智能功率模块烧毁。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种结构简单合理，使智能功率模块的温度保护点可以被精确控制，从而确保智能功率模块工作在安全温度范围内，提高智能功率模块的使用寿命，并可避免智能功率模块因温度过高而烧毁造成的整机损坏的用于智能功率模块的过热保护电路及其控制方法，以克服现有技术中的不足之处。

按此目的设计的一种用于智能功率模块的过热保护电路，包括电压比较器和恒压源，其特征是还包括输出电压骤变型热敏电路，输出电压骤变型热敏电路的供电电源的正端为V_CC、负端为GND；输出电压骤变型热敏电路的输出端与电压比较器的正端相连；电压比较器的负端与恒压源的正端相连，恒压源的电压记为U_B，恒压源的负端与GND相连，恒压源的输出端记为OUT。

所述输出电压骤变型热敏电路包括负温度系数热敏电阻、电阻、施密特触发器和非门；负温度系数热敏电阻的一端接V_CC，负温度系数热敏电阻的另一端接施密特触发器的输入端和电阻的一端，电阻的另一端接地，施密特触发器的输出端接非门的输入端，非门的输出端与电压比较器的正端相连。

一种用于智能功率模块的过热保护电路的控制方法，其特征是当智能功率模块工作在常温时，输出电压骤变型热敏电路的输出端的电压为某一值UA_TB，该UA_TB远低于U_B；随着智能功率模块的温度上升，只要不超过某一温度点TA，输出电压骤变型热敏电路的输出端的电压保持在某一值UA_TB不变；

当智能功率模块的温度升高到温度点TA后，输出电压骤变型热敏电路的输出端的电压骤变为UA_TA，该UA_TA远高于U_B；智能功率模块的温度继续上升，输出电压骤变型热敏电路的输出端的电压保持在某一值UA_TA不变；

当智能功率模块的温度从大于等于TA的值下降，下降到某一温度点TB后，输出电压骤变型热敏电路的输出端的电压从电压UA_TA骤变回电压UA_TB，远低于U_B；

其中，TB≤TA。

当智能功率模块的温度≥TA时，OUT为高电平；

当智能功率模块的温度≤TB时，OUT为低电平；

当TB＜智能功率模块的温度＜TA时：若温度是从大于TA的温度下降而来，OUT为高电平；若温度是从小于TB的温度上升而来，OUT为低电平。

本发明涉及过热保护电路和电压比较器技术，尤其涉及智能功率模块IPM和高压集成电路HVIC中的对温度保护点的控制电路，可以通过设计适当的TA值和TB值，当温度高于TA时，对智能功率模块进行过热保护，使智能功率模块冷却，当温度低于TB时，智能功率模块停止过热保护继续工作。

本发明在温度保护点附近不存在比较电压过渡区域，使智能功率模块的温度保护点可以被精确控制，从而确保智能功率模块工作在安全温度范围内，提高智能功率模块的使用寿命，并可避免智能功率模块因温度过高而烧毁造成的整机损坏。

本发明可应用于复杂的温度场合，使智能功率模块有确定的过热保护点。

附图说明

图1为传统的用于智能功率模块的过热保护电路的连接图。

图2为正温度系数热敏电阻的典型T-R曲线图。

图3为本发明一实施例的电路连接图。

图4为输出电压骤变型热敏电路的温度-电压变化曲线图。

图5输出电压骤变型热敏电路的实施例图。

图6负温度系数热敏电阻404的典型T-R曲线图。

图7为U_B电压与温度变化的关系图。

图8本发明中的输出电压骤变型热敏电路的温度-电压变化曲线图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。

参见图3-图8，本用于智能功率模块的过热保护电路，包括电压比较器401和恒压源402以及输出电压骤变型热敏电路403，输出电压骤变型热敏电路403的供电电源的正端为V_CC、负端为GND；输出电压骤变型热敏电路403的输出端与电压比较器401的正端相连；电压比较器401的负端与恒压源402的正端相连，恒压源402的电压记为U_B，恒压源402的负端与GND相连，恒压源402的输出端记为OUT。

当智能功率模块工作在常温时，输出电压骤变型热敏电路403的输出端的电压为某一值UA_TB，该UA_TB远低于U_B；随着智能功率模块的温度上升，只要不超过某一温度点TA，输出电压骤变型热敏电路403的输出端的电压保持在某一值UA_TB不变。

当智能功率模块的温度升高到温度点TA后，输出电压骤变型热敏电路403的输出端的电压骤变为UA_TA，该UA_TA远高于U_B；智能功率模块的温度继续上升，输出电压骤变型热敏电路403的输出端的电压保持在某一值UA_TA不变。

当智能功率模块的温度从大于等于TA的值下降，下降到某一温度点TB后，输出电压骤变型热敏电路403的输出端的电压从电压UA_TA骤变回电压UA_TB，远低于U_B；其中，TB≤TA。

当智能功率模块的温度≥TA时，OUT为高电平；当智能功率模块的温度≤TB时，OUT为低电平；当TB＜智能功率模块的温度＜TA时：若温度是从大于TA的温度下降而来，OUT为高电平；若温度是从小于TB的温度上升而来，OUT为低电平。

其中，所述输出电压骤变型热敏电路403可以包括负温度系数热敏电阻404、电阻405、施密特触发器406和非门407；负温度系数热敏电阻404的一端接V_CC，负温度系数热敏电阻404的另一端接施密特触发器406的输入端和电阻405的一端，电阻405的另一端接地，施密特触发器406的输出端接非门407的输入端，非门407的输出端与电压比较器401的正端相连。电压比较器401的负端与恒压源402的正端相连，恒压源402的电压记为U_B，恒压源402的负端与GND相连，恒压源402的输出端记为OUT。

负温度系数热敏电阻404的阻值记为R8、电阻405的阻值记为R9，则施密特触发器406的输入端的电压Us：

$\mathrm{Us}=V_{\mathrm{CC}}\·\frac{R9}{R8+R9},$

设智能功率模块的极限温度为Tw。图7是负温度系数热敏电阻404的典型温度-阻值关系曲线图，考虑离散性(典型值在10％范围内变化)后的过渡区域的温度范围为Tm～Tn，选择适当的电阻，使Tn＜Tw，记负温度系数热敏电阻404在Tm时的阻值为R8_Tm，记负温度系数热敏电阻404在Tn时的阻值为R8_Tn，记负温度系数热敏电阻404在Tw时的阻值为R8_Tw。记U_S在Tm的对应电压为V_Tm，记U_S在Tn的对应电压为V_Tn，记U_S在Tw时的对应电压为V_Tw，为施密特触发器406设计适当的阈值V_THm和V_Thn，满足：

V_Thm＜V_Tm＜V_Tn＜V_Thn＜V_Tw，

U_S随温度变化达到以上各电压点，如图7所示，一般可设计V_Thm为比Tm小5℃时对应的电压值，V_Thn为比Tn大5℃时对应的电压值，则在温度上升到Tn+5后，所述非门407的输出为V_CC，当温度下降到Tm-5后，所述非门407的输出为0，V_CC远大于所述电压比较器401的负端电压U_B，而0远小于电压比较器401的负端电压U_B，如图8所示。

Claims (4)

1.一种用于智能功率模块的过热保护电路，包括电压比较器(401)和恒压源(402)，其特征是还包括输出电压骤变型热敏电路(403)，输出电压骤变型热敏电路(403)的供电电源的正端为V_CC、负端为GND；输出电压骤变型热敏电路(403)的输出端与电压比较器(401)的正端相连；电压比较器(401)的负端与恒压源(402)的正端相连，恒压源(402)的电压记为U_B，恒压源(402)的负端与GND相连，恒压源(402)的输出端记为OUT。

2.根据权利要求1所述的用于智能功率模块的过热保护电路，其特征是所述输出电压骤变型热敏电路(403)包括负温度系数热敏电阻(404)、电阻(405)、施密特触发器(406)和非门(407)；负温度系数热敏电阻(404)的一端接V_CC，负温度系数热敏电阻(404)的另一端接施密特触发器(406)的输入端和电阻(405)的一端，电阻(405)的另一端接地，施密特触发器(406)的输出端接非门(407)的输入端，非门(407)的输出端与电压比较器(401)的正端相连。

3.一种如权利要求1所述的用于智能功率模块的过热保护电路的控制方法，其特征是当智能功率模块工作在常温时，输出电压骤变型热敏电路(403)的输出端的电压为某一值UA_TB，该UA_TB远低于U_B；随着智能功率模块的温度上升，只要不超过某一温度点TA，输出电压骤变型热敏电路(403)的输出端的电压保持在某一值UA_TB不变；

当智能功率模块的温度升高到温度点TA后，输出电压骤变型热敏电路(403)的输出端的电压骤变为UA_TA，该UA_TA远高于U_B；智能功率模块的温度继续上升，输出电压骤变型热敏电路(403)的输出端的电压保持在某一值UA_TA不变；

当智能功率模块的温度从大于等于TA的值下降，下降到某一温度点TB后，输出电压骤变型热敏电路(403)的输出端的电压从电压UA_TA骤变回电压UA_TB，远低于U_B；

其中，TB≤TA。

4.根据权利要求3所述的用于智能功率模块的过热保护电路的控制方法，其特征是当智能功率模块的温度≥TA时，OUT为高电平；

当智能功率模块的温度≤TB时，OUT为低电平；

当TB＜智能功率模块的温度＜TA时：若温度是从大于TA的温度下降而来，OUT为高电平；若温度是从小于TB的温度上升而来，OUT为低电平。

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