CN102751702A - 一种用于智能功率模块的电流采样电路 - Google Patents

Abstract

一种用于智能功率模块的电流采样电路，包括三个上桥臂，以及对应各上桥臂设置的三个下桥臂，上、下桥臂分别通过电阻与对应IGBT管的栅极连接，各上桥臂上的IGBT管的集电极相连接高压点，各下桥臂上的IGBT管的集电极相连接电流采样电路输入端点，电流采样电路设有第一输出端和第二输出端，以及电流采样电路的输入/输出端接地电位。本发明的电流采样电路，除具备传统的过流保护功能外，还具备过温保护功能，确保智能功率模块工作在安全温度下，当温度异常时，即使电流没有异常偏高，也可令智能功率模块停止工作，从而有效避免智能功率模块在高温大电流下损坏，大幅降低了智能功率模块发生爆炸的几率，确保后续电路和设备的安全，消除设备的火灾隐患。

Description

一种用于智能功率模块的电流采样电路

技术领域

本发明涉及一种用于智能功率模块的电流采样电路，尤其涉及智能功率模块（IPM）中的电流和温度检测，还涉及到变频空调的压缩机控制技术。

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。

由于智能功率模块工作在高电压大电流下，如果不能确保智能功率模块工作在适当的温度和电流，就会引起智能功率模块损坏甚至爆炸，所以智能功率模块中都必须含有电流采样电路对智能功率模块进行过流保护。如图1所示是目前应用于智能功率模块中的电流采样电路：HO1、HO2、HO3称为上桥臂；LO1、LO2、LO3称为下桥臂；HO1接电阻101的一端，电阻101的另一端与IGBT管107的栅极相；HO2接电阻102的一端，电阻102的另一端与IGBT管108的栅极相连；HO3接电阻103的一端，电阻103的另一端与IGBT管109的栅极相连；LO1接电阻104的一端，电阻104的另一端与IGBT管110的栅极相连；LO2接电阻105的一端，电阻105的另一端与IGBT管111的栅极相连；LO3接电阻106的一端，电阻106的另一端与IGBT管112的栅极相连；IGBT管107、108、109的集电极相连接高压点P；IGBT管110、111、112的集电极相连接采样电阻113的一端，该点记为A，采样电阻113的另一端接地电位GND；IGBT管107的射极与所述IGBT管110的集电极相连组成一对，记为U相，IGBT管107即为U相上桥臂IGBT，IGBT管110即为U相下桥臂IGBT；IGBT管108的射极与所述IGBT管111的集电极相连组成一对，记为V相，IGBT管108即为V相上桥臂IGBT，IGBT管111即为V相下桥臂IGBT；IGBT管109的射极与所述IGBT管112的集电极相连组成一对，记为W相，IGBT管109即为W相上桥臂IGBT，IGBT管112即为W相下桥臂IGBT；U、V、W连接三相电机114。

采样电阻的A端接电压比较器115的正端，恒压源116的正端接电压比较器115的负端，恒压源116的负端接GND，电压比较器115的输出端记为OUT。

值得一提的是，每个IGBT管都会反并联一个快恢复二极管，为简单起见，该六枚快恢复二极管并未在图1中画出。

智能功率模块工作时，每一相的上下桥臂IGBT管会交替导通，从而使采样电阻113有电流流过，在A和GND间产生电压差：（1）当A的电压低于恒压源116的电压时，电压比较器115的输出端OUT为低电平，MCU接收到该低电平后，使HO1~HO3、LO1~LO3保持在正常工作状态，控制IGBT101～IGBT106交替导通；（2）当A的电压高于恒压源116的电压时，证明智能功率模块产生过流，电压比较器115的输出端OUT为高电平，MCU接收到该高电平后，控制HO1~HO3、LO1～LO3，使IGBT101～IGBT106保持在截止状态，此时智能功率模块停止工作，这就是目前的智能功率模块的过流保护原理。

因为毫欧电阻通常都是使用正温度系数非常小材质制造，在智能功率模块因为散热不良等原因温度急剧上升时，毫欧电阻的阻值只会发生微小的增加，因此目前的电流采样电路在温度发生异常时也只能在电流达到固定的值时才能产生保护作用；但是功率器件的电流能力是随结温上升而下降的，所以当智能功率模块温度急剧上升时，电流采样电路将无法提前对智能功率模块进行过流保护，造成智能功率模块因温度异常偏高而损坏，严重时会发生爆炸。因此，有必要作进一步改进。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种结构简单、同时具备过流保护和过温保护功能的用于智能功率模块的电流采样电路，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电流采样电路，包括第一上桥臂、第二上桥臂和第三上桥臂，以及对应各上桥臂设置的第一下桥臂、第二下桥臂和第三下桥臂，上、下桥臂分别通过电阻与对应IGBT管连接，其特征是各上桥臂上的IGBT管的集电极相连接高压点，各下桥臂上的IGBT管的集电极相连接电流采样电路输入端点，所述电流采样电路设有第一输出端和第二输出端，以及电流采样电路的输入/输出端接地电位。

所述第一上桥臂的IGBT管的射极与第一下桥臂的IGBT管的集电极相连组成一对，并定义为U1相，则有第一上桥臂的IGBT管为U1相上桥臂IGBT，第一下桥臂的IGBT管为U1相下桥臂IGBT；所述第二上桥臂的IGBT管的射极与第二下桥臂的IGBT管的集电极相连组成一对，并定义为V1相，则有第二上桥臂的IGBT管为V1相上桥臂IGBT，第二下桥臂的IGBT管为V1相下桥臂IGBT；所述第三上桥臂的IGBT管的射极与第三下桥臂的IGBT管的集电极相连组成一对，并定义为W1相，则有第三上桥臂的IGBT管为W1相上桥臂IGBT，第三下桥臂的IGBT管为W1相下桥臂IGBT；所述U1相、V1相、W1相连接三相电机。

所述电流采样电路包括串联在电流采样电路输入端点的第一毫欧电阻、第二毫欧电阻，以及输入端分别连接在第一毫欧电阻两端、第二毫欧电阻两端的第一仪用放大器和第二仪用放大器。

所述第一毫欧电阻的一端接电流采样电路输入端点和第一仪用放大器的正输入端，另一端接第一仪用放大器的负输入端、第二仪用放大器的正输入端和第二毫欧电阻的一端；所述第二毫欧电阻的另一端接第二仪用放大器的负输入端和地电位，定义该端点为电流采样电路的输入/输出端。

所述电流采样电路还包括电压比较器和AD转换器，其中电压比较器的正输入端接第一仪用放大器的输出端，电压比较器的负输入端和AD转换器的输入端均接第二仪用放大器的输出端，同时定义AD转换器的输出端为第一输出端，电压比较器的输出端为第二输出端。

所述第一毫欧电阻和第二毫欧电阻为两相同且为正温度系数的毫欧电阻,定义为Rm。

本发明的电流采样电路，除具备传统的过流保护功能外，还具备过温保护功能，确保智能功率模块工作在安全温度下，当温度异常时，即使电流没有异常偏高，也可令智能功率模块停止工作，从而有效避免智能功率模块在高温大电流下损坏，大幅降低了智能功率模块发生爆炸的几率，确保后续电路和设备的安全，消除设备的火灾隐患。

附图说明

图1为现有技术的电路原理图。

图2为本发明一实施例的电路原理图。

图3为本发明一实施例的电路具体实例图。

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-图3，一种用于智能功率模块的电流采样电路，包括第一上桥臂1、第二上桥臂2和第三上桥臂3，以及对应各上桥臂设置的第一下桥臂11、第二下桥臂21和第三下桥臂31，上、下桥臂分别通过电阻与对应IGBT管的栅极连接，对应有第一上电阻201、第二上电阻202、第三上电阻203、第一下电阻204、第二下电阻205和第三下电阻206；各上桥臂上的IGBT管的集电极相连接高压点P，各下桥臂上的IGBT管的集电极相连接电流采样电路213输入端点B，电流采样电路213设有第一输出端OUT1和第二输出端OUT2，以及电流采样电路213的输入/输出端接地电位GND。

第一上桥臂1的IGBT管的射极与第一下桥臂11的IGBT管的集电极相连组成一对，并定义为U1相，则有第一上桥臂1的IGBT管为U1相上桥臂IGBT207，第一下桥臂1的IGBT管为U1相下桥臂IGBT210；第二上桥臂2的IGBT管的射极与第二下桥臂21的IGBT管的集电极相连组成一对，并定义为V1相，则有第二上桥臂2的IGBT管为V1相上桥臂IGBT208，第二下桥臂21的IGBT管为V1相下桥臂IGBT211；第三上桥臂3的IGBT管的射极与第三下桥臂31的IGBT管的集电极相连组成一对，并定义为W1相，则有第三上桥臂3的IGBT管为W1相上桥臂IGBT209，第三下桥臂3的IGBT管为W1相下桥臂IGBT212；U1相、V1相、W1相连接三相电机214。

电流采样电路213包括串联在电流采样电路213输入端点B的第一毫欧电阻215、第二毫欧电阻216，以及输入端分别连接在第一毫欧电阻215两端、第二毫欧电阻216两端的第一仪用放大器217和第二仪用放大器218。两仪用放大器可使用AD620。第一毫欧电阻215的一端接电流采样电路输入端点B和第一仪用放大器217的正输入端，另一端接第一仪用放大器217的负输入端、第二仪用放大器218的正输入端和第二毫欧电阻216的一端；第二毫欧电阻216的另一端接第二仪用放大器218的负输入端和地电位GND，定义该端点为电流采样电路213的输入/输出端。电流采样电路213还包括电压比较器220和AD转换器219，其中电压比较器220的正输入端接第一仪用放大器217的输出端，电压比较器220的负输入端和AD转换器219的输入端均接第二仪用放大器218的输出端，同时定义AD转换器219的输出端为第一输出端OUT1，电压比较器220的输出端为第二输出端OUT2。第一毫欧电阻215和第二毫欧电阻216为两相同且为正温度系数的毫欧电阻,定义为Rm。

智能功率模块工作时，每一相的上下桥臂IGBT管会交替导通，从而向本发明的电流采样电路流入电流：

（1）电流采样电路213的第一输出端OUT1输出一个反映电流大小的数字信号并传到MCU，与MCU内的设定值进行比较，当这个数字信号的值小于MCU内的设定值时，MCU控制各上桥臂、下桥臂，使各IGBT管正常工作；当大于MCU内的设定值时，MCU控制各上桥臂、下桥臂，使各IGBT管保持在截止状态，从而使智能功率模块停止工作；

（2）电流采样电路213的第一输出端OUT1输出一个反映温度高低的数字信号并传到MCU，当此信号为一个低电平，MCU控制各上桥臂、下桥臂，使各IGBT管正常工作；当此信号为一个高电平，MCU控制各上桥臂、下桥臂，使各IGBT管保持在截止状态，从而使智能功率模块停止工作。

本实施例的工作原理如下：

（1）正常工作时：①智能功率模块正常工作时温度基本恒定，靠近IGBT的第一毫欧电阻215温度与远离IGBT的第二毫欧电阻216温度基本一致，因此它们的阻值一致，由于第一毫欧电阻215和第二毫欧电阻216串联，它们流过相同的电流，分别经过第一仪用放大器217和第二仪用放大器218后的输出电压也基本一致，这时电压比较器220的第二输出端OUT2输出低电平，MCU接收到第二输出端OUT2的低电平后不发出异常保护指令，智能功率模块继续保持正常工作状态；②智能功率模块正常工作时流过所述第二毫欧电阻216的电流在合理范围内，如30A的智能功率模块，则合理的工作电流范围是0~10A，经过仪用放大器218后的电压也在合理区间，该电压经过AD转换器219后通过第一输出端OUT1输出到MCU，与MCU内预先设定的值进行比较，设该第二仪用放大器218的放大倍数为K，则MCU内的预设值Um可通过如下方法设定：Um=10×K×Rm，智能功率模块正常工作时，AD转换器219的输出值小于MCU的设定值，因此MCU接收到第一输出端OUT1的信号后不发出异常保护指令，智能功率模块继续保持正常工作状态；

（2）电流过大时：①电流瞬间变大后，各IGBT管发热会增加，但是在正常散热条件下，发热的增加量尚不足以使第一毫欧电阻215的温度高于第二毫欧电阻216，所以，此时的第一毫欧电阻215和第二毫欧电阻216的阻值仍然基本相同，根据之前分析，此时第二输出端OUT2输出仍为低电平，MCU接收到第二输出端OUT2的低电平后不发出异常保护指令，因此第二输出端OUT2的信号不能使智能功率模块停止工作；②电流瞬间变大后，流过所述第二毫欧电阻216的电流已经超出合理范围，经过第二仪用放大器218后的电压也超出合理区间，该电压经过AD转换器219后通过第一输出端OUT1输出到MCU，与MCU内预先设定的值Um进行比较，Um是电流在合理范围内的值，此时的比较结果一定是第一输出端OUT1>Um，因此MCU接收到第一输出端OUT1的信号后马上发出异常保护指令，使各IGBT管关断，从而使智能功率模块在电流过大时停止工作，达到过流保护的效果；

（2）温度过高时：①智能功率模块的发热源是各IGBT管，因为焊接空洞、材料分层等原因造成温度升高时，如30A的智能功率模块，正常工作时整体温度比较平衡，都在100℃以下，如果局部达到125℃则可以认为是温度异常偏高，这时更靠近IGBT管的第一毫欧电阻215的温度高于更远离IGBT管的第二毫欧电阻216的温度25℃左右，因此第一毫欧电阻215的阻值会略高于第二毫欧电阻216的阻值，根据不同的毫欧电阻选型，高出的阻值会不同，但因为毫欧电阻的温度系数很小，因此高出的值一般不会超过10%，两毫欧电阻流过相同的电流时，第一毫欧电阻215两端的压降略高于第二毫欧电阻216两端的压降，这个压差一般的电压比较器220无法辨识，但分别经过第一仪用放大器217和第二仪用放大器218后，这个差值得到了放大，使电压比较器220可辨识出电压差异，从而在第二输出端OUT2输出高电平，MCU接收到第二输出端OUT2的高电平后发出异常保护指令，使各IGBT管关断，从而使智能功率模块在温度异常升高时停止工作，达到温度保护的效果；②智能功率模块的电流大小与温度高低没有必然关系，温度过高时，电流不一定会发生异常，因此第一输出端OUT1的输出信号不会触发MCU发出异常保护指令。

Claims (6)

1.一种用于智能功率模块的电流采样电路，包括第一上桥臂（1）、第二上桥臂（2）和第三上桥臂（3），以及对应各上桥臂设置的第一下桥臂（11）、第二下桥臂（21）和第三下桥臂（31），上、下桥臂分别通过电阻与对应IGBT管的栅极连接，其特征是各上桥臂上的IGBT管的集电极相连接高压点，各下桥臂上的IGBT管的集电极相连接电流采样电路（213）输入端点，所述电流采样电路设有第一输出端和第二输出端，以及电流采样电路的输入/输出端接地电位。

2.根据权利要求1所述用于智能功率模块的电流采样电路，其特征是所述第一上桥臂（1）的IGBT管的射极与第一下桥臂（11）的IGBT管的集电极相连组成一对，并定义为U1相，则有第一上桥臂的IGBT管为U1相上桥臂IGBT（207），第一下桥臂的IGBT管为U1相下桥臂IGBT（210）；所述第二上桥臂（2）的IGBT管的射极与第二下桥臂（21）的IGBT管的集电极相连组成一对，并定义为V1相，则有第二上桥臂的IGBT管为V1相上桥臂IGBT（208），第二下桥臂的IGBT管为V1相下桥臂IGBT（211）；所述第三上桥臂（3）的IGBT管的射极与第三下桥臂（31）的IGBT管的集电极相连组成一对，并定义为W1相，则有第三上桥臂的IGBT管为W1相上桥臂IGBT（209），第三下桥臂的IGBT管为W1相下桥臂IGBT（212）；所述U1相、V1相、W1相连接三相电机（214）。

3.根据权利要求1或2所述用于智能功率模块的电流采样电路，其特征是所述电流采样电路（213）包括串联在电流采样电路输入端点的第一毫欧电阻（215）、第二毫欧电阻（216），以及输入端分别连接在第一毫欧电阻两端、第二毫欧电阻两端的第一仪用放大器（217）和第二仪用放大器（218）。

4.根据权利要求3所述用于智能功率模块的电流采样电路，其特征是所述第一毫欧电阻（215）的一端接电流采样电路（213）输入端点和第一仪用放大器（217）的正输入端，另一端接第一仪用放大器的负输入端、第二仪用放大器（218）的正输入端和第二毫欧电阻（216）的一端；所述第二毫欧电阻的另一端接第二仪用放大器的负输入端和地电位，定义该端点为电流采样电路的输入/输出端。

5.根据权利要求4所述用于智能功率模块的电流采样电路，其特征是所述电流采样电路（213）还包括电压比较器（220）和AD转换器（219），其中电压比较器的正输入端接第一仪用放大器（217）的输出端，电压比较器的负输入端和AD转换器的输入端均接第二仪用放大器（218）的输出端，同时定义AD转换器的输出端为第一输出端，电压比较器的输出端为第二输出端。

6.根据权利要求5所述用于智能功率模块的电流采样电路，其特征是所述第一毫欧电阻（215）和第二毫欧电阻（216）为两相同且为正温度系数的毫欧电阻,定义为Rm。

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