CN102208865A

CN102208865A - 一种用于三相电机桥式驱动的智能功率模块电路

Info

Publication number: CN102208865A
Application number: CN2011101432865A
Authority: CN
Inventors: 胡同灿
Original assignee: DAILY SILVER IMP MICROELECTRONICS Co Ltd
Current assignee: China Core Integrated Circuit Ningbo Co Ltd
Priority date: 2011-05-31
Filing date: 2011-05-31
Publication date: 2011-10-05
Anticipated expiration: 2031-05-31
Also published as: CN102208865B

Abstract

本发明公开了一种用于三相电机桥式驱动的智能功率模块电路，包括栅极驱动芯片、一组高压侧功率器件和一组低压侧功率器件，栅极驱动芯片由高压侧控制驱动芯片和低压侧控制驱动芯片组成，高压侧控制驱动芯片由高压侧驱动模块集成，低压侧控制驱动芯片由低压侧驱动模块、运算放大器和低压稳压电路集成，优点在于由于采用复杂的高压隔离制造工艺只生产了高压侧控制驱动芯片，而高压侧控制驱动芯片的面积较小，使得高压侧控制驱动芯片的生产加工过程更加容易控制，更有利于提高良率；由于采用了普通的CMOS工艺生产低压侧控制驱动芯片，普通的CMOS工艺的工艺条件简单、技术成熟、特征线条较细，因此芯片面积可做的较小，能有效保证生产良率，并节省成本。

Description

一种用于三相电机桥式驱动的智能功率模块电路

技术领域

本发明涉及一种桥式驱动电路，尤其是涉及一种用于三相电机桥式驱动的智能功率模块电路。

背景技术

桥式驱动电路是开关电源领域里的一种常见应用电路，桥式驱动电路一般包括半桥驱动电路、全桥驱动电路和三相桥式驱动电路，两个半桥驱动电路可以组合成一个全桥驱动电路，三个半桥驱动电路可以组合成一个三相桥式驱动电路。其中，三相桥式驱动电路经常被应用于风机、变频空调、变频洗衣机、变频微波炉、汽车电机驱动等这一类三相电机的产品上。图1给出了典型的三相电机桥式驱动智能功率模块电路，该三相电机桥式驱动智能功率模块电路包括第一功率器件20、第二功率器件30、第三功率器件40、第四功率器件50、第五功率器件60、第六功率器件70及一个桥式控制芯片（即栅极驱动芯片）10。第一功率器件20、第二功率器件30和第三功率器件40作为高压侧的功率器件；第四功率器件50、第五功率器件60和第六功率器件70作为低压侧的功率器件；栅极驱动芯片10简称为栅驱动芯片，其是桥式驱动电路的控制驱动芯片，按照模块划分，该栅极驱动芯片10可分为高压侧驱动模块11和低压侧驱动模块12，高压侧驱动模块11可产生三路控制驱动信号HO1、HO2及HO3，分别连接第一功率器件20、第二功率器件30和第三功率器件40，利用控制驱动信号HO1、HO2及HO3控制高压侧的功率器件的栅极；低压侧驱动模块12可产生另三路控制驱动信号LO1、LO2及LO3，分别连接第四功率器件50、第五功率器件60和第六功率器件70，利用控制驱动信号LO1、LO2及LO3控制低压侧的功率器件的栅极，进行功率器件的开关动作。图1中第一功率器件20、第二功率器件30、第三功率器件40、第四功率器件50、第五功率器件60及第六功率器件70可以是功率IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）、或MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管），也可以采用其它类型的功率器件，如晶闸管等，其中需将晶闸管的门极作为信号控制端口。图1所示的三相电机桥式驱动智能功率模块电路还包括运算放大器电路80和低压稳压电路110，运算放大器电路80通过外部电流检测电阻器R提供电桥电流的模拟反馈，低压稳压电路110产生3.3V或5V电源，给MCU（微处理器）或其它元件供电。

在现有应用中，三相电机桥式驱动智能功率模块电路通常是采用功率模块集成方法将单个栅极驱动芯片、运算放大器电路、低压稳压电路和六个功率器件集成在一个模块中，采用这种方法，一方面，在智能功率模块装置制造中，由于六个功率器件芯片面积较大，且功率器件工作时发热也较大，这样组装时往往要求各个功率器件之间的间距要大，而栅极驱动芯片面积往往不大，因此这就造成栅极驱动芯片至各个功率器件的连线会很长，使智能功率模块电路的可靠性大为降低，不利于生产和可靠性控制；另一方面，在生产制造栅极驱动芯片时需要将高压隔离制造工艺集成到普通CMOS工艺中进行生产，采用高压隔离制造工艺的目的是为了将高压侧驱动模块与低压侧驱动模块隔离开，由于普通CMOS工艺集成高压隔离制造工艺流程复杂，该工艺为了耐高压，能够达到的特征尺寸较大，原来只需小特征尺寸的部分也必须采用大特征尺寸，使制造得到的栅极驱动芯片的特征尺寸较大，从而导致了相同功能的栅极驱动芯片占用面积太大，同时提高了单个栅极驱动芯片的生产成本；此外，由于采用单芯片集成方法实现的栅极驱动芯片的面积较大，这样不利于设计功能复杂的芯片，如希望集成运算放大器电路、低压稳压电路等，这是因为采用这种栅极驱动芯片来设计功能复杂芯片的面积将会更大，同时生产良率也会降低，生产成本也会增加。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种制造方便、可靠性高、生产成本低且生产良率高的用于三相电机桥式驱动的智能功率模块电路。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种用于三相电机桥式驱动的智能功率模块电路，包括栅极驱动芯片、一组高压侧功率器件和一组低压侧功率器件，其特征在于所述的栅极驱动芯片主要由采用高压隔离制造工艺生产的高压侧控制驱动芯片和采用CMOS工艺生产的低压侧控制驱动芯片组成，所述的高压侧控制驱动芯片主要由高压侧驱动模块集成，所述的低压侧控制驱动芯片主要由低压侧驱动模块、运算放大器和低压稳压电路集成，所述的高压侧驱动模块的各个信号输入端口接入高压侧逻辑控制信号，所述的高压侧驱动模块的各个信号输出端口与各个所述的高压侧功率器件的信号控制端口一一对应连接，所述的低压侧驱动模块的各个信号输入端口接入低压侧逻辑控制信号，所述的低压侧驱动模块的各个信号输出端口与各个所述的低压侧功率器件的信号控制端口一一对应连接。

所述的高压侧控制驱动芯片设置有一组高压侧逻辑控制信号输入引脚和一组高压侧驱动信号输出引脚，各个所述的高压侧逻辑控制信号输入引脚用于接入高压侧逻辑控制信号，各个所述的高压侧逻辑控制信号输入引脚与所述的高压侧驱动模块的各个信号输入端口一一对应连接，各个所述的高压侧驱动信号输出引脚的一端与所述的高压侧驱动模块的各个信号输出端口一一对应连接，各个所述的高压侧驱动信号输出引脚的另一端与各个所述的高压侧功率器件的信号控制端口一一对应连接，所述的低压侧控制驱动芯片设置有一组低压侧逻辑控制信号输入引脚、一组低压侧驱动信号输出引脚、一个第一信号输入引脚、一个第二信号输入引脚、一个放大信号输出引脚和一个稳压信号输出引脚，各个所述的低压侧逻辑控制信号输入引脚用于接入低压侧逻辑控制信号，各个所述的低压侧逻辑控制信号输入引脚与所述的低压侧驱动模块的各个信号输入端口一一对应连接，各个所述的低压侧驱动信号输出引脚的一端与所述的低压侧驱动模块的各个信号输出端口一一对应连接，各个所述的低压侧驱动信号输出引脚的另一端与各个所述的低压侧功率器件的信号控制端口一一对应连接，所述的第一信号输入引脚的一端与所述的运算放大器的同相输入端口相连接，所述的第二信号输入引脚的一端与所述的运算放大器的反相输入端口相连接，所述的第一信号输入引脚的另一端与所述的第二信号输入引脚的另一端之间连接有用于提供电桥电流的模拟反馈的电流检测电阻，所述的放大信号输出引脚与所述的运算放大器的信号输出端口相连接，所述的稳压信号输出引脚与所述的低压稳压电路的信号输出端口相连接。

所述的高压侧功率器件和所述的低压侧功率器件的个数均为三个。

所述的高压侧驱动信号输出引脚与零电平之间承受的高压范围为400～1200V。

所述的低压稳压电路的稳压值为3.3V 或5V。

所述的高压侧功率器件和所述的低压侧功率器件均为绝缘栅双极型晶体管，所述的绝缘栅双极型晶体管的栅极为信号控制端口。

所述的高压侧功率器件和所述的低压侧功率器件均为金属氧化物半导体场效应晶体管，所述的金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极为信号控制端口。

所述的高压侧功率器件和所述的低压侧功率器件均为晶闸管，所述的晶闸管的门极为信号控制端口。

与现有技术相比，本发明的优点在于通过将常规的高压侧驱动模块和低压侧驱动模块集成芯片、运算放大器模块芯片及低压稳压电路芯片进行重新分割和组合，分成高压侧控制驱动芯片和低压侧控制驱动芯片来实现，采用复杂的高压隔离制造工艺技术只生产高压侧控制驱动芯片，而对于低压侧控制驱动芯片则采用普通的CMOS工艺进行生产，并将低压侧驱动模块、运算放大器模块和低压稳压电路集成在该低压侧控制驱动芯片中，而无需采用在普通的CMOS工艺中集成高压隔离制造工艺生产各个芯片，再将高压侧控制驱动芯片、侧压侧控制驱动芯片和所有功率器件封装在一起构成用于三相电机桥式驱动的智能功率模块电路，实现了智能功率模块的功能，这种结构的智能功率模块电路一方面由于采用复杂的高压隔离制造工艺技术只生产了高压侧控制驱动芯片，而高压侧控制驱动芯片的面积仅占原栅极驱动芯片面积的三分之一左右，使得高压侧控制驱动芯片的生产加工过程更加容易控制，更有利于提高良率；另一方面，采用了普通的CMOS工艺生产由低压侧驱动模块、运算放大器模块和低压稳压电路模块集成的低压侧控制驱动芯片，普通的CMOS工艺的工艺条件简单、技术成熟、特征线条较细，因此本发明的低压侧控制驱动芯片面积可做的较小（即本发明的集成了运算放大器、低压稳压电路和低压侧驱动模块的低压侧控制驱动芯片的面积比现有的用高压隔离工艺制造的低压侧驱动模块的面积还要小），能有效保证生产良率，且节省成本。

本发明的智能功率模块电路通过将高压侧驱动模块和低压侧驱动模块分别集成在高压侧控制驱动芯片和低压侧控制驱动芯片中，利用高压侧控制驱动芯片驱动高压侧功率器件，利用低压侧控制驱动芯片驱动低压侧功率器件，采用这种方式在封装智能功率模块电路时，可有效缩短分离的高压侧控制驱动芯片和低压侧控制驱动芯片与功率器件之间的连线，从而可提高智能功率模块电路的可靠性。

本发明通过高压侧控制驱动芯片和低压侧控制驱动芯片与六个功率器件集成，形成了用于三相电机桥式驱动的智能功率模块电路，具有易生产、可靠性高等优点，同时由于将运算放大器、低压稳压电路也集成在低压侧控制驱动芯片中，芯片数量减少，从而进一步提高了可靠性、减小了组装时的封装体，同时节省了成本。

附图说明

图1为典型的三相电机桥式驱动智能功率模块电路原理图；

图2为本发明的用于三相电机桥式驱动的智能功率模块电路的连接示意图；

图3为栅极驱动芯片用于驱动低压侧功率器件的低压侧驱动信号的波形和用于驱动高压侧功率器件的高压侧驱动信号的波形示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

本发明提出的一种用于三相电机桥式驱动的智能功率模块电路的电路原理图如图2所示，其包括栅极驱动芯片、三个高压侧功率器件20、30、40和三个低压侧功率器件50、60、70，栅极驱动芯片主要由采用高压隔离制造工艺生产的高压侧控制驱动芯片90和采用普通CMOS工艺生产的低压侧控制驱动芯片100组成，高压侧控制驱动芯片90主要由高压侧驱动模块91集成，低压侧控制驱动芯片100主要由低压侧驱动模块101、运算放大器102和低压稳压电路110集成，高压侧驱动模块91的各个信号输入端口接入高压侧逻辑控制信号，高压侧驱动模块91的三个信号输出端口分别与三个高压侧功率器件20、30、40的信号控制端口一一对应连接，低压侧驱动模块101的各个信号输入端口接入低压侧逻辑控制信号，低压侧驱动模块101的三个信号输出端口分别与三个低压侧功率器件50、60、70的信号控制端口一一对应连接。

在此具体实施例中，高压侧控制驱动芯片90设置有一组高压侧逻辑控制信号输入引脚92和三个高压侧驱动信号输出引脚93、94、95，各个高压侧逻辑控制信号输入引脚92用于接入高压侧逻辑控制信号，各个高压侧逻辑控制信号输入引脚92与高压侧驱动模块91的各个信号输入端口一一对应连接，三个高压侧驱动信号输出引脚93、94、95的一端分别与高压侧驱动模块91的三个信号输出端口一一对应连接，三个高压侧驱动信号输出引脚93、94、95的另一端分别通过金属导线与三个高压侧功率器件20、30、40的信号控制端口一一对应连接，分别为三个高压侧功率器件20、30、40提供高压侧驱动信号HO1、HO2、HO3，即高压侧控制驱动芯片90通过高压侧驱动信号输出引脚93为第一个高压侧功率器件20提供高压侧驱动信号HO1，高压侧控制驱动芯片90通过高压侧驱动信号输出引脚94为第二个高压侧功率器件30提供高压侧驱动信号HO2，高压侧控制驱动芯片90通过高压侧驱动信号输出引脚95为第三个高压侧功率器件40提供高压侧驱动信号HO3；低压侧控制驱动芯片100设置有一组低压侧逻辑控制信号输入引脚103、三个低压侧驱动信号输出引脚107、108、109、一个第一信号输入引脚106、一个第二信号输入引脚105、一个放大信号输出引脚104和一个稳压信号输出引脚111，各个低压侧逻辑控制信号输入引脚103用于接入低压侧逻辑控制信号，各个低压侧逻辑控制信号输入引脚103与低压侧驱动模块101的各个信号输入端口一一对应连接，三个低压侧驱动信号输出引脚107、108、109的一端分别与低压侧驱动模块101的三个信号输出端口一一对应连接，三个低压侧驱动信号输出引脚107、108、109的另一端分别通过金属导线与三个低压侧功率器件50、60、70的信号控制端口一一对应连接，分别为三个低压侧功率器件50、60、70提供低压侧驱动信号LO1、LO2、LO3，即低压侧控制驱动芯片100通过低压侧驱动信号输出引脚107为第一个低压侧功率器件50提供低压侧驱动信号LO1，低压侧控制驱动芯片100通过低压侧驱动信号输出引脚108为第二个低压侧功率器件60提供低压侧驱动信号LO2，低压侧控制驱动芯片100通过低压侧驱动信号输出引脚109为第三个低压侧功率器件70提供低压侧驱动信号LO3，第一信号输入引脚106的一端与运算放大器102的同相输入端口相连接，第二信号输入引脚105的一端与运算放大器102的反相输入端口相连接，第一信号输入引脚106的另一端与第二信号输入引脚105的另一端之间连接有用于提供电桥电流的模拟反馈的电流检测电阻R，电流检测电阻R两端的电流通过运算放大器102放大，放大信号输出引脚104与运算放大器102的信号输出端口相连接，放大信号输出引脚104通过金属导线与外接的控制电路（图中未示出）的输入端口相连接，稳压信号输出引脚111与低压稳压电路110的信号输出端口相连接，稳压信号输出引脚111通过金属导线与外接的微处理器（MCU）或其它需要低压供电的元件（图中未示出）的输入端口相连接。在此，低压侧控制驱动芯片100的低压侧驱动信号输出引脚107、108、109输出的低压侧驱动信号LO1、LO2、LO3和高压侧控制驱动芯片90的高压侧驱动信号输出引脚93、94、95输出的高压侧驱动信号HO1、HO2、HO3之间存在关联关系，它通过高压侧逻辑控制信号和低压侧逻辑控制信号的时序控制，低压侧驱动信号LO1、LO2、LO3和高压侧驱动信号HO1、HO2、HO3形成的典型的栅极驱动输出波形如图3所示，低压侧驱动信号LO1和高压侧驱动信号HO1在正常工作后交替出现高电平，在两者的高电平之间存在一个两者同为低电平的死区时间DT（Dead Time）；低压侧驱动信号LO2和高压侧驱动信号HO2在正常工作后交替出现高电平，在两者的高电平之间存在一个两者同为低电平的死区时间DT；低压侧驱动信号LO3和高压侧驱动信号HO3在正常工作后交替出现高电平，在两者的高电平之间存在一个两者同为低电平的死区时间DT。

在此具体实施例中，高压侧驱动信号输出引脚93、94、95与零电平（GND）之间能够承受的高压范围均为400～1200V。

在此具体实施例中，低压稳压电路110的稳压值为3.3V 或5V。

在此具体实施例中，高压侧驱动模块91、低压侧驱动模块101、运算放大器102和低压稳压电路110均采用现有技术，高压侧驱动模块91、低压侧驱动模块101、三个高压侧功率器件20、30、40及三个低压侧功率器件50、60、70之间的连接方式均采用现有的技术，三个高压侧功率器件20、30、40及三个低压侧功率器件50、60、70的信号输出端口分别用于连接三相电机的相线。

在此具体实施例中，三个高压侧功率器件20、30、40和三个低压侧功率器件50、60、70均采用现有技术，如可采用绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）、晶闸管等功率器件。采用绝缘栅双极型晶体管（IGBT）时，其栅极为信号控制端口，其中，对于高压侧功率器件，IGBT的发射极为信号输出端口与三相电机的相线相连接，IGBT的集电极接母线电压；对于低压侧功率器件，IGBT的发射极经过电流检测电阻R接地信号(GND)，IGBT的集电极为信号输出端口与三相电机的相线相连接。采用金属氧化物半导体场效应晶体管时，其栅极为信号控制端口，其中，对于高压侧功率器件，MOSFET的源极为信号输出端口与三相电机的相线相连接，MOSFET的漏极接母线电压；对于低压侧功率器件，MOSFET的源极经过电流检测电阻R接地信号(GND)，MOSFET的漏极为信号输出端口与三相电机的相线相连接。采用晶闸管时，其门极为信号控制端口，其中，对于高压侧功率器件，晶闸管的阴极为信号输出端口与三相电机的相线相连接，晶闸管的阳极接母线电压；对于低压侧功率器件，晶闸管的阴极经过电流检测电阻R接地信号（GND），晶闸管的阳极为信号输出端口与三相电机的相线相连接。

在实际应用本发明的智能功率模块电路时，可通过功率模块封装方式，将高压侧控制驱动芯片90、低压侧控制驱动芯片100、三个高压侧功率器件20、30、40及三个低压侧功率器件50、60、70封装在单个模块中，形成一个完整的智能功率模块的功能；在实际应用过程中，也可以将本发明的高压侧控制驱动芯片90、低压侧控制驱动芯片100、三个高压侧功率器件20、30、40及三个低压侧功率器件50、60、70直接焊接在PCB板上形成一个完整的智能模块的功能，即COB（板上芯片封装）智能模块；还可以将本发明的高压侧控制驱动芯片90、低压侧控制驱动芯片100、功率器件（包括三个高压侧功率器件20、30、40和三个低压侧功率器件50、60、70）分别进行封装，然后再焊接在PCB板上形成一个完整的智能模块的功能。

Claims

1.一种用于三相电机桥式驱动的智能功率模块电路，包括栅极驱动芯片、一组高压侧功率器件和一组低压侧功率器件，其特征在于所述的栅极驱动芯片主要由采用高压隔离制造工艺生产的高压侧控制驱动芯片和采用CMOS工艺生产的低压侧控制驱动芯片组成，所述的高压侧控制驱动芯片主要由高压侧驱动模块集成，所述的低压侧控制驱动芯片主要由低压侧驱动模块、运算放大器和低压稳压电路集成，所述的高压侧驱动模块的各个信号输入端口接入高压侧逻辑控制信号，所述的高压侧驱动模块的各个信号输出端口与各个所述的高压侧功率器件的信号控制端口一一对应连接，所述的低压侧驱动模块的各个信号输入端口接入低压侧逻辑控制信号，所述的低压侧驱动模块的各个信号输出端口与各个所述的低压侧功率器件的信号控制端口一一对应连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于三相电机桥式驱动的智能功率模块电路，其特征在于所述的高压侧控制驱动芯片设置有一组高压侧逻辑控制信号输入引脚和一组高压侧驱动信号输出引脚，各个所述的高压侧逻辑控制信号输入引脚用于接入高压侧逻辑控制信号，各个所述的高压侧逻辑控制信号输入引脚与所述的高压侧驱动模块的各个信号输入端口一一对应连接，各个所述的高压侧驱动信号输出引脚的一端与所述的高压侧驱动模块的各个信号输出端口一一对应连接，各个所述的高压侧驱动信号输出引脚的另一端与各个所述的高压侧功率器件的信号控制端口一一对应连接，所述的低压侧控制驱动芯片设置有一组低压侧逻辑控制信号输入引脚、一组低压侧驱动信号输出引脚、一个第一信号输入引脚、一个第二信号输入引脚、一个放大信号输出引脚和一个稳压信号输出引脚，各个所述的低压侧逻辑控制信号输入引脚用于接入低压侧逻辑控制信号，各个所述的低压侧逻辑控制信号输入引脚与所述的低压侧驱动模块的各个信号输入端口一一对应连接，各个所述的低压侧驱动信号输出引脚的一端与所述的低压侧驱动模块的各个信号输出端口一一对应连接，各个所述的低压侧驱动信号输出引脚的另一端与各个所述的低压侧功率器件的信号控制端口一一对应连接，所述的第一信号输入引脚的一端与所述的运算放大器的同相输入端口相连接，所述的第二信号输入引脚的一端与所述的运算放大器的反相输入端口相连接，所述的第一信号输入引脚的另一端与所述的第二信号输入引脚的另一端之间连接有用于提供电桥电流的模拟反馈的电流检测电阻，所述的放大信号输出引脚与所述的运算放大器的信号输出端口相连接，所述的稳压信号输出引脚与所述的低压稳压电路的信号输出端口相连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于三相电机桥式驱动的智能功率模块电路，其特征在于所述的高压侧功率器件和所述的低压侧功率器件的个数均为三个。

4.根据权利要求3所述的一种用于三相电机桥式驱动的智能功率模块电路，其特征在于所述的高压侧驱动信号输出引脚与零电平之间承受的高压范围为400～1200V。

5.根据权利要求4所述的一种用于三相电机桥式驱动的智能功率模块电路，其特征在于所述的低压稳压电路的稳压值为3.3V 或5V。

6.根据权利要求5所述的一种用于三相电机桥式驱动的智能功率模块电路，其特征在于所述的高压侧功率器件和所述的低压侧功率器件均为绝缘栅双极型晶体管，所述的绝缘栅双极型晶体管的栅极为信号控制端口。

7.根据权利要求5所述的一种用于三相电机桥式驱动的智能功率模块电路，其特征在于所述的高压侧功率器件和所述的低压侧功率器件均为金属氧化物半导体场效应晶体管，所述的金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极为信号控制端口。

8.根据权利要求5所述的一种用于三相电机桥式驱动的智能功率模块电路，其特征在于所述的高压侧功率器件和所述的低压侧功率器件均为晶闸管，所述的晶闸管的门极为信号控制端口。