CN102611286A - 高集成智能功率模块 - Google Patents
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Abstract
一种高集成智能功率模块，在高集成智能功率模块IPM3内设有逻辑控制电路及驱动电路，该高集成智能功率模块IPM3产生两路输出，第一路输出为U3、V3和W3，第二路输出为U4、V4和W4，其中，第一路输出驱动变频空调的变频压缩机M3，第二路输出驱动变频空调的变频风机M4。高集成智能功率模块IPM3包括控制芯片MCU2、高压集成电路HVIC3、第一模拟开关K1、第二模拟开关K2和第三模拟开关K3，控制芯片MCU2通过第一控制信号PRO3控制高压集成电路HVIC3，并通过第二控制信号PRO4控制第一模拟开关K1。本发明具有结构简单合理、操作灵活、制作成本低、可靠性高、适用范围广的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种智能功率模块，特别是一种高集成智能功率模块。
背景技术
智能功率模块，即Intelligent Power Module，缩写为IPM，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、伺服驱动和变频家电等的一种理想电力电子器件。
目前，智能功率模块在变频空调中得到广泛应用，现有智能功率模块在变频空调中的驱动电路如附图1所示：第一控制芯片MCU1提供两路控制信号：第一控制信号PRO1和第二控制信号PRO2，通过第一控制信号PRO1控制第一智能功率模块IPM1，通过第二控制信号PRO2控制第二智能功率模块IPM2。
第一智能功率模块IPM1由第一高压集成电路HVIC1、第一绝缘栅双极型功率管IGBT1、第二绝缘栅双极型功率管IGBT2、第三绝缘栅双极型功率管IGBT3、第四绝缘栅双极型功率管IGBT4、第五绝缘栅双极型功率管IGBT5、第六绝缘栅双极型功率管IGBT6、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6和采样电阻R13组成。
其中，第一高压集成电路HVIC1的第一高压侧输出端H1接第一电阻R1的一端，电阻R1的另一端接第一绝缘栅双极型功率管IGBT1的栅极；第一高压集成电路HVIC1的第二高压侧输出端H2接第二电阻R2的一端，第二电阻R2的另一端接第二绝缘栅双极型功率管IGBT2的栅极；第一高压集成电路HVIC1的第三高压侧输出端H3接第三电阻R3的一端，第三电阻R3的另一端接第三绝缘栅双极型功率管IGBT3的栅极；第一高压集成电路HVIC1的第一低压侧输出端L1接第四电阻R4的一端，第四电阻R4的另一端接第四绝缘栅双极型功率管IGBT4的栅极；第一高压集成电路HVIC1的第二低压侧输出端L2接第五电阻R5的一端，第五电阻R5的另一端接第五绝缘栅双极型功率管IGBT5的栅极；第一高压集成电路HVIC1的第三低压侧输出端L3接第六电阻R6的一端，第六电阻R6的另一端接第六绝缘栅双极型功率管IGBT6的栅极；第一绝缘栅双极型功率管IGBT1的集电极、第二绝缘栅双极型功率管IGBT2的集电极、第三绝缘栅双极型功率管IGBT3的集电极相连并接到高压端P；第四绝缘栅双极型功率管IGBT4的射极、第五绝缘栅双极型功率管IGBT5的射极、第六绝缘栅双极型功率管IGBT6的射极相连并接到采样电阻R13的一端A，采样电阻R13的另一端接地GND；第一绝缘栅双极型功率管IGBT1的射极和第四绝缘栅双极型功率管IGBT4的集电极相连，记为U1；第二绝缘栅双极型功率管IGBT2的射极和第五绝缘栅双极型功率管IGBT5的集电极相连，记为V1；第三绝缘栅双极型功率管IGBT3的射极和第六绝缘栅双极型功率管IGBT6的集电极相连，记为W1；所述U1、V1、W1分别连接变频空调的变频压缩机M1的三相接头。
第二智能功率模块IPM2由第二高压集成电路HVIC2、第七绝缘栅双极型功率管IGBT7、第八绝缘栅双极型功率管IGBT8、第九绝缘栅双极型功率管IGBT9、第十绝缘栅双极型功率管IGBT10、第十一绝缘栅双极型功率管IGBT11、第十二绝缘栅双极型功率管IGBT12、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、采样电阻电阻R14组成；第二高压集成电路HVIC2的第四高压侧输出端H4接第七电阻R7的一端，第七电阻R7的另一端接第七绝缘栅双极型功率管IGBT7的栅极；第二高压集成电路HVIC2的第五高压侧输出端H5接第八电阻R8的一端，第八电阻R8的另一端接第八绝缘栅双极型功率管IGBT8的栅极；第二高压集成电路HVIC2的第六高压侧输出端H6接第九电阻R9的一端，第九电阻R9的另一端接第九绝缘栅双极型功率管IGBT9的栅极；第二高压集成电路HVIC2的第四低压侧输出端L4接第十电阻R10的一端，第十电阻R10的另一端接第十绝缘栅双极型功率管IGBT10的栅极；第二高压集成电路HVIC2的第五低压侧输出端L5接第十一电阻R11的一端，第十一电阻R11的另一端接第十一绝缘栅双极型功率管IGBT11的栅极；第二高压集成电路HVIC2的第六低压侧输出端L6接第十二电阻R12的一端，第十二电阻R12的另一端接第十二绝缘栅双极型功率管IGBT12的栅极；第七绝缘栅双极型功率管IGBT7的集电极、第八绝缘栅双极型功率管IGBT8的集电极、第九绝缘栅双极型功率管IGBT9的集电极相连并接到高压端P；第十绝缘栅双极型功率管IGBT10的射极、第十一绝缘栅双极型功率管IGBT11的射极、第十二绝缘栅双极型功率管IGBT12的射极相连并接到采样电阻R14的一端，采样电阻R14的另一端接地GND；第七绝缘栅双极型功率管IGBT7的射极和第十绝缘栅双极型功率管IGBT10的集电极相连，记为U2；第八绝缘栅双极型功率管IGBT8的射极和第十一绝缘栅双极型功率管IGBT11的集电极相连，记为V2；第九绝缘栅双极型功率管IGBT9的射极和第十二绝缘栅双极型功率管IGBT12的集电极相连，记为W2；所述U2、V2、W2分别连接变频空调的变频风机M2的三相接头。
当图1所示电路工作时，所述第一控制芯片MCU1通过第一控制信号PRO1控制第一高压集成电路HVIC1，由第一高压集成电路HVIC1控制第一绝缘栅双极型功率管IGBT1、第二绝缘栅双极型功率管IGBT2、第三绝缘栅双极型功率管IGBT3、第四绝缘栅双极型功率管IGBT4、第五绝缘栅双极型功率管IGBT5、第六绝缘栅双极型功率管IGBT6的导通和关断，从而使变频压缩机M1正常工作；所述第一控制芯片MCU1通过第二控制信号PRO2控制第二高压集成电路HVIC2，由第二高压集成电路HVIC2控制第七绝缘栅双极型功率管IGBT7、第八绝缘栅双极型功率管IGBT8、第九绝缘栅双极型功率管IGBT9、第十绝缘栅双极型功率管IGBT10、第十一绝缘栅双极型功率管IGBT11、第十二绝缘栅双极型功率管IGBT12的导通和关断，从而使变频风机M2正常工作。
从图1可以看出，目前的变频空调的驱动系统由第一控制芯片MCU1、第一智能功率模块IPM1和第二智能功率模块IPM2组成，其中，第一智能功率模块IPM1和第二智能功率模块IPM2的电路结构是高度一致的，因为第一智能功率模块IPM1驱动的是变频压缩机M1，第二智能功率模块IPM2驱动的是变频风机M2，因此第一智能功率模块IPM1通常是大功率的智能功率模块，第二智能功率模块IPM2是小功率的智能功率模块。
目前的变频空调的驱动系统由三种元器件组成，制作成本高、可靠性低、电路系统的布线难度也较大。随着变频空调的用量不断增大，变频空调失效的个案随之增大，有50％以上的变频空调失效出现在现有的驱动系统上；加上变频空调相对于定频空调的价格较高，降低变频空调驱动系统的制造成本也成为了重要课题。
发明内容
本发明的目的旨在提供一种结构简单合理、操作灵活、制作成本低、可靠性高、适用范围广的高集成智能功率模块，以克服现有技术中的不足之处。
按此目的设计的一种高集成智能功率模块，其结构特征是高集成智能功率模块IPM3内设有逻辑控制电路及驱动电路，该高集成智能功率模块IPM3产生两路输出，第一路输出为U3、V3和W3，第二路输出为U4、V4和W4，其中，第一路输出驱动变频空调的变频压缩机M3，第二路输出驱动变频空调的变频风机M4。
所述高集成智能功率模块IPM3包括控制芯片MCU2、高压集成电路HVIC3、第一模拟开关K1、第二模拟开关K2和第三模拟开关K3，控制芯片MCU2通过第一控制信号PRO3控制高压集成电路HVIC3，并通过第二控制信号PRO4控制第一模拟开关K1，通过第三控制信号PRO5控制第二模拟开关K2，通过第四控制信号PRO6控制第三模拟开关K3。
所述高压集成电路HVIC3的第一高压侧输出端H7接电阻R15的一端，电阻R15的另一端接第一绝缘栅双极型功率管IGBT13的栅极；
高压集成电路HVIC3的第二高压侧输出端H8接电阻R16的一端，电阻R16的另一端接第二绝缘栅双极型功率管IGBT14的栅极；
高压集成电路HVIC3的第三高压侧输出端H9接电阻R17的一端，电阻R17的另一端接第三绝缘栅双极型功率管IGBT15的栅极；
高压集成电路HVIC3的第一低压侧输出端L7接电阻R18的一端，电阻R15的另一端接第四绝缘栅双极型功率管IGBT16的栅极；
高压集成电路HVIC3的第二低压侧输出端L8接电阻R19的一端，电阻R19的另一端接第五绝缘栅双极型功率管IGBT17的栅极；
高压集成电路HVIC3的第三低压侧输出端L9接电阻R20的一端，电阻R20的另一端接第六绝缘栅双极型功率管IGBT18的栅极；
第一绝缘栅双极型功率管IGBT13的集电极、第二绝缘栅双极型功率管IGBT14的集电极、第三绝缘栅双极型功率管IGBT15的集电极相连并接到高压端P；
第四绝缘栅双极型功率管IGBT16的射极、第五绝缘栅双极型功率管IGBT17的射极、第六绝缘栅双极型功率管IGBT18的射极相连并接到采样电阻R21的一端，采样电阻R21的另一端接地GND；
第一绝缘栅双极型功率管IGBT13的射极和第四绝缘栅双极型功率管IGBT16的集电极相连并接到第一模拟开关K1的输入端；
第二绝缘栅双极型功率管IGBT14的射极和第五绝缘栅双极型功率管IGBT17的集电极相连并接到第二模拟开关K2的输入端；
第三绝缘栅双极型功率管IGBT15的射极和第六绝缘栅双极型功率管IGBT18的集电极相连并接到第三模拟开关K3的输入端；
第一模拟开关K1的a输出端记为U3；第一模拟开关K1的b输出端记为U4；第二模拟开关K2的a输出端记为V3；第二模拟开关K2的b输出端记为V4；第三模拟开关K3的a输出端记为W3；第三模拟开关K3的b输出端记为W4；其中，U3、V3和W3分别连接变频空调的变频压缩机M3的三相接头，U4、V4和W4分别连接变频空调的变频风机M4的三相接头。
所述第一绝缘栅双极型功率管IGBT13、第二绝缘栅双极型功率管IGBT14、第三绝缘栅双极型功率管IGBT15、第四绝缘栅双极型功率管IGBT16、第五绝缘栅双极型功率管IGBT17和第六绝缘栅双极型功率管IGBT18分别是额定电流为30A的绝缘栅双极型晶体管。
所述高压集成电路HVIC3为IR2136。
所述电阻R15、电阻R16、电阻R17、电阻R18、电阻R19和电阻R20的阻值分别为20Ω。
所述采样电阻R21为10mΩ电阻。
所述控制芯片MCU2为32位单片机。
本发明采用上述的技术方案后，将元器件的数量从三种精简为一种，降低了布线难度并提高系统可靠性，通过驱动电路在高集成智能功率模块内部的复用，所谓复用是指驱动变频压缩机和变频风机使用同一套三相驱动电路也就是由第一绝缘栅双极型功率管IGBT13～第六绝缘栅双极型功率管IGBT18组成的三相驱动电路，可大幅降低了变频空调的变频压缩机和变频风机的驱动部分的成本。
本发明具有结构简单合理、操作灵活、制作成本低、可靠性高、适用范围广的特点。
附图说明
图1为现有智能功率模块在变频空调中的电路连接示意图。
图2为本发明一实施例的工作原理图。
图3为本发明在变频空调中的电路连接示意图。
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2，高集成智能功率模块IPM3内设有逻辑控制电路及驱动电路，逻辑控制电路包括MCU和HVIC，驱动电路包括第一绝缘栅双极型功率管IGBT13～第六绝缘栅双极型功率管IGBT18，该高集成智能功率模块IPM3产生两路输出，第一路输出为U3、V3和W3，第二路输出为U4、V4和W4，其中，第一路输出驱动变频空调的变频压缩机M3，第二路输出驱动变频空调的变频风机M4。
参见图3，高集成智能功率模块IPM3包括控制芯片MCU2、高压集成电路HVIC3、第一模拟开关K1、第二模拟开关K2和第三模拟开关K3，控制芯片MCU2通过第一控制信号PRO3控制高压集成电路HVIC3，并通过第二控制信号PRO4控制第一模拟开关K1，通过第三控制信号PRO5控制第二模拟开关K2，通过第四控制信号PRO6控制第三模拟开关K3。
高压集成电路HVIC3的第一高压侧输出端H7接电阻R15的一端，电阻R15的另一端接第一绝缘栅双极型功率管IGBT13的栅极；高压集成电路HVIC3的第二高压侧输出端H8接电阻R16的一端，电阻R16的另一端接第二绝缘栅双极型功率管IGBT14的栅极；高压集成电路HVIC3的第三高压侧输出端H9接电阻R17的一端，电阻R17的另一端接第三绝缘栅双极型功率管IGBT15的栅极；高压集成电路HVIC3的第一低压侧输出端L7接电阻R18的一端，电阻R15的另一端接第四绝缘栅双极型功率管IGBT16的栅极；高压集成电路HVIC3的第二低压侧输出端L8接电阻R19的一端，电阻R19的另一端接第五绝缘栅双极型功率管IGBT17的栅极；高压集成电路HVIC3的第三低压侧输出端L9接电阻R20的一端，电阻R20的另一端接第六绝缘栅双极型功率管IGBT18的栅极；第一绝缘栅双极型功率管IGBT13的集电极、第二绝缘栅双极型功率管IGBT14的集电极、第三绝缘栅双极型功率管IGBT15的集电极相连并接到高压端P；第四绝缘栅双极型功率管IGBT16的射极、第五绝缘栅双极型功率管IGBT17的射极、第六绝缘栅双极型功率管IGBT18的射极相连并接到采样电阻R21的一端，采样电阻R21的另一端接地GND；第一绝缘栅双极型功率管IGBT13的射极和第四绝缘栅双极型功率管IGBT16的集电极相连并接到第一模拟开关K1的输入端；第二绝缘栅双极型功率管IGBT14的射极和第五绝缘栅双极型功率管IGBT17的集电极相连并接到第二模拟开关K2的输入端；第三绝缘栅双极型功率管IGBT15的射极和第六绝缘栅双极型功率管IGBT18的集电极相连并接到第三模拟开关K3的输入端。
将第一模拟开关K1的a输出端记为U3；第一模拟开关K1的b输出端记为U4；第二模拟开关K2的a输出端记为V3；第二模拟开关K2的b输出端记为V4；第三模拟开关K3的a输出端记为W3；第三模拟开关K3的b输出端记为W4；其中，U3、V3和W3分别连接变频空调的变频压缩机M3的三相接头，U4、V4和W4分别连接变频空调的变频风机M4的三相接头。
在本实施例中，第一绝缘栅双极型功率管IGBT13、第二绝缘栅双极型功率管IGBT14、第三绝缘栅双极型功率管IGBT15、第四绝缘栅双极型功率管IGBT16、第五绝缘栅双极型功率管IGBT17和第六绝缘栅双极型功率管IGBT18分别是额定电流为30A的绝缘栅双极型晶体管，足以驱动变频空调中的变频压缩机和比变频压缩机功率小得多的变频风机。高压集成电路HVIC3为IR2136。电阻R15、电阻R16、电阻R17、电阻R18、电阻R19和电阻R20的阻值分别为20Ω。采样电阻R21为10mΩ电阻。控制芯片MCU2为32位单片机。
下面，以三匹变频空调为例进行说明。
当高集成智能功率模块IPM3工作时，对变频空调的变频压缩机M3和变频风机M4采用以1秒为周期的分时控制模式：
1、前0.5秒，控制芯片MCU2通过第一控制信号PRO3控制高压集成电路HVIC3，并通过第二控制信号PRO4、第三控制信号PRO5、第四控制信号PRO6分别控制第一模拟开关K1、第二模拟开关K2和第三模拟开关K3，使第一模拟开关K1、第二模拟开关K2和第三模拟开关K3处于a输出端，从而使变频空调的变频压缩机M3在前述的各控制信号下工作，而变频空调的变频风机M4处于惯性运动状态。所谓的惯性运动指的是没有为变频压缩机或变频风机施加外力，由于惯性，变频压缩机或变频风机会继续保持原来的运动状态。
2、后0.5秒，控制芯片MCU2通过第一控制信号PRO3控制高压集成电路HVIC3，并通过第二控制信号PRO4、第三控制信号PRO5、第四控制信号PRO6分别控制第一模拟开关K1、第二模拟开关K2、第三模拟开关K3，使第一模拟开关K1、第二模拟开关K2、第三模拟开关K3处于b输出端，从而使变频空调的变频风机M4在前述的各控制信号下工作，而变频空调的变频压缩机M3处于惯性运动状态。
经测试，变频空调的变频压缩机和变频风机0.5秒受控和0.5秒通过惯性运动的方式，并不会降低三匹变频空调的用户体验，因此，只使用六个绝缘栅双极型晶体管驱动变频空调的一台变频压缩机和一台变频风机的模式能够大幅降低智能功率模块的制造成本。
Claims (8)
1.一种高集成智能功率模块，其特征是高集成智能功率模块IPM3内设有逻辑控制电路及驱动电路，该高集成智能功率模块IPM3产生两路输出，第一路输出为U3、V3和W3，第二路输出为U4、V4和W4，其中，第一路输出驱动变频空调的变频压缩机M3，第二路输出驱动变频空调的变频风机M4。
2.根据权利要求1所述的高集成智能功率模块，其特征是所述高集成智能功率模块IPM3包括控制芯片MCU2、高压集成电路HVIC3、第一模拟开关K1、第二模拟开关K2和第三模拟开关K3，控制芯片MCU2通过第一控制信号PRO3控制高压集成电路HVIC3，并通过第二控制信号PRO4控制第一模拟开关K1，通过第三控制信号PRO5控制第二模拟开关K2，通过第四控制信号PRO6控制第三模拟开关K3。
3.根据权利要求2所述的高集成智能功率模块，其特征是所述高压集成电路HVIC3的第一高压侧输出端H7接电阻R15的一端，电阻R15的另一端接第一绝缘栅双极型功率管IGBT13的栅极；
高压集成电路HVIC3的第二高压侧输出端H8接电阻R16的一端，电阻R16的另一端接第二绝缘栅双极型功率管IGBT14的栅极；
高压集成电路HVIC3的第三高压侧输出端H9接电阻R17的一端，电阻R17的另一端接第三绝缘栅双极型功率管IGBT15的栅极；
高压集成电路HVIC3的第一低压侧输出端L7接电阻R18的一端，电阻R15的另一端接第四绝缘栅双极型功率管IGBT16的栅极；
高压集成电路HVIC3的第二低压侧输出端L8接电阻R19的一端，电阻R19的另一端接第五绝缘栅双极型功率管IGBT17的栅极；
高压集成电路HVIC3的第三低压侧输出端L9接电阻R20的一端，电阻R20的另一端接第六绝缘栅双极型功率管IGBT18的栅极；
第一绝缘栅双极型功率管IGBT13的集电极、第二绝缘栅双极型功率管IGBT14的集电极、第三绝缘栅双极型功率管IGBT15的集电极相连并接到高压端P；
第四绝缘栅双极型功率管IGBT16的射极、第五绝缘栅双极型功率管IGBT17的射极、第六绝缘栅双极型功率管IGBT18的射极相连并接到采样电阻R21的一端，采样电阻R21的另一端接地GND；
第一绝缘栅双极型功率管IGBT13的射极和第四绝缘栅双极型功率管IGBT16的集电极相连并接到第一模拟开关K1的输入端；
第二绝缘栅双极型功率管IGBT14的射极和第五绝缘栅双极型功率管IGBT17的集电极相连并接到第二模拟开关K2的输入端；
第三绝缘栅双极型功率管IGBT15的射极和第六绝缘栅双极型功率管IGBT18的集电极相连并接到第三模拟开关K3的输入端；
第一模拟开关K1的a输出端记为U3；第一模拟开关K1的b输出端记为U4；第二模拟开关K2的a输出端记为V3；第二模拟开关K2的b输出端记为V4；第三模拟开关K3的a输出端记为W3；第三模拟开关K3的b输出端记为W4；其中，U3、V3和W3分别连接变频空调的变频压缩机M3的三相接头，U4、V4和W4分别连接变频空调的变频风机M4的三相接头。
4.根据权利要求3所述的高集成智能功率模块，其特征是所述第一绝缘栅双极型功率管IGBT13、第二绝缘栅双极型功率管IGBT14、第三绝缘栅双极型功率管IGBT15、第四绝缘栅双极型功率管IGBT16、第五绝缘栅双极型功率管IGBT17和第六绝缘栅双极型功率管IGBT18分别是额定电流为30A的绝缘栅双极型晶体管。
5.根据权利要求3所述的高集成智能功率模块，其特征是所述高压集成电路HVIC3为IR2136。
6.根据权利要求3所述的高集成智能功率模块，其特征是所述电阻R15、电阻R16、电阻R17、电阻R18、电阻R19和电阻R20的阻值分别为20Ω。
7.根据权利要求3所述的高集成智能功率模块，其特征是所述采样电阻R21为10mΩ电阻。
8.根据权利要求3所述的高集成智能功率模块，其特征是所述控制芯片MCU2为32位单片机。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: MIDEA GROUP CO., LTD. Free format text: FORMER OWNER: MEIDI ELECTRIC APPLIANCES CO., LTD., GUANGDONG Effective date: 20131210 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
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| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20120725 |