CN102761287B - 数字功率模块 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种控制接口完全数字化的功率模块，它包括由全控半导体开关器件构成的功率电路(1)、驱动模块(3)、交流侧电流检测模块(4)、直流侧电压检测模块(2)、微控制器(7)、可编程逻辑器件(5)、数字通讯接口模块(8)、辅助电源(6)，所有功能模块和功率电路都封装在一个外壳内。本发明的功率模块具有紧凑的体积，并且内部集成了控制器件和相应的软件，具有非常高的集成度。本发明可用于各种变频器和逆变电源。

Description

数字功率模块

技术领域

本发明涉及一种电力电子功率模块，特别涉及一种内部集成微控制器的控制接口全数字化的功率模块。

技术背景

目前，电力电子技术发展迅猛，以半导体功率开关器件为核心的各种变频器、逆变电源被广泛应用如变频调速、新能源发电、电力变换等各种领域。电力电子系统的核心器件是半导体功率开关器件，功率开关器件与驱动电路、保护电路、供电电路、控制电路一同构成完整的电力电子系统。为了方便电力电子系统的开发，缩短研发周期，功率开关器件在不断超高集成度和智能化的方向发展。在早期的电力电子系统中，大功率开关器件都是分离器件的。当很多功率开关器件在一起构成一个系统时，系统体积变得十分庞大，设计师会面临散热、系统可靠性等诸多问题。为了减小系统体积，提高器件的可靠性，由若干个IGBT及二极管构成的通用功率模块出现了，这种功率模块将几个功率开关管组成桥式电路，为使用者带来了极大方便。功率模块的出现使系统更加紧凑，体积更小，同时在散热性能上也更好。随着技术的发展，智能功率模块(IPM)出现了，智能功率模块将功率开关器件和驱动电路集成在一起，同时模块内部还设有过电压，过电流和过热保护等故障检测电路，将各种保护信号提供给控制系统。这样系统得到进一步简化，体积也进一步缩小。但是，在很多电力电子系统中，为了扩大系统的容量，如提升系统电压，或增大系统电流，常常需要多个功率模块并联或串联后组成一个高阶系统进行工作，这时整个系统仍然会十分复杂，特别是控制系统的设计对设计人员来说需要花费大量开发时间。

因此，有必要进一步增加功率模块的集成度，使功率模块的应用更加简单方便，可以缩短电力电子产品的开发周期，提高产品开发效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种控制接口完全数字化的数字功率模块，模块内部集成有控制芯片即相应软件，不需要直接提供PWM等开关信号给数字功率模块。数字功率模块与外部控制器的通讯仅包括时钟同步信号、中断信号、以及双向串行通讯信号。

本发明提供一种数字功率模块，其内部包括功率电路(1)、驱动模块(3)，其特征在于，还包括直流侧电压检测模块(2)、交流侧电流检测模块(4)、微控制器(7)、可编程逻辑器件(5)、数字通讯接口模块(8)、辅助电源(6)；

其中，功率电路有一个由直流正端(+)和直流负端(-)组成的直流侧端口和一个交流侧端口；直流侧电压检测模块(2)将检测到的功率电路直流侧端口电压信号送到微控制器(7)，交流侧电流检测模块(4)将检测到的功率电路交流侧端口电流信号送到微控制器(7)，功率电路交流侧电流检测模块(4)的过流保护信号送到可编程逻辑器件(5)，微控制器(7)与可编程逻辑器件(5)之间相连接，可编程逻辑器件(5)产生开关信号通过驱动模块(3)驱动功率电路中的全控半导体开关器件；数字通讯接口(8)模块在数字功率模块内部与微控制器和可编程逻辑器件连接；辅助电源(6)的输入端与功率模块的直流侧端口连接，为数字功率模块内部的有源器件供电。

所述数字功率模块，其特征在于，其功率电路是由带有反向并联二极管的半导体开关器件组成的单相H桥逆变电路，其中单相H桥逆变电路中的每个桥臂可由多个半导体开关器件并联构成。

所述数字功率模块，其特征在于，其功率电路是由带有反向并联二极管的半导体开关器件组成的三相H桥逆变电路，其中三相H桥逆变电路中的每个桥臂可由多个半导体开关器件并联构成。

所述数字功率模块，其特征在于，所述半导体开关器件可以是MOSFET或IGBT。

所述数字功率模块，其特征在于，数字通讯模块对外控制接口包括一个串行输入端口(Rx)、一个串行输出端口(Tx)、一个时钟同步信号输入端口(Sync)、一个微控制器中断信号输入端口(Int)。

所述数字功率模块，其特征在于，数字功率模块内部分成四层结构，第一层是功率模块层(9)，功率模块中的半导体开关器件被焊接在一个具有高导热能力的功率基板上，用于交流电流测量的电流采样电阻也焊接在这个功率基板上；第二层是驱动模块层(10)，驱动电路和交流侧电流检测模块位于这个层面；第三层是控制电路层(11)；第四层是辅助电源层(12)。

附图说明

图1是本发明数字功率模块功能框图；

图2是本发明数字功率模块的内部结构图；

图3是本发明数字功率模块的单相功率电路图；

图4是本发明数字功率模块的时钟信号同步电路。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明的数字功率模块功能框图。在数字功率模块中包括以下功能电路和模块：功率电路(1)、驱动模块(3)，直流侧电压检测模块(2)、交流侧电流检测模块(4)、微控制器(7)、可编程逻辑器件(5)、数字通讯接口模块(8)、辅助电源(6)。数字功率模块的外部接口分成功率接口和控制接口两个部分。其中功率接口包括一个直流输入端口和一个交流输出端口。控制接口包括4个信号端口：一个串行输入端口(Rx)、一个串行输出端口(Tx)、一个时钟同步信号输入端口(Sync)、一个微控制器中断信号输入端口(Int)。明由于将微控制器引入到数字功率模块中，功率电路的开关控制信号、各种保护功能和功率电路中重要的电压、电流信号的测量都在数字功率模块内部完成，这样就大大简化了数字功率模块的外部接口。数字功率模块的工作状态和内部信息，与外部控制器的控制信息通过双向的串行接口进行交换。在构建高阶拓扑结构的电力电子系统时，多个数字功率模块需要在一个系统中同步协调工作，为了保证系统中所有的数字功率模块达到精确同步，在数字功率模块上设置了时钟同步信号输入端口(Sync)和微控制器中断信号输入端口(Int)，对数字功率模块中的控制器从时钟信号和软件运行两个层面进行同步控制。

图2是数字功率模块的内部结构示意图。数字功率模块内部自下而上分成四个层面。最下面一层是功率器件层(9)，由功率基板、半导体功率开关器件及电流采样电阻构成。在本实施例中采用MOSFET作为半导体功率开关器件，MOSFET和电流采样电阻焊接在铝基板PCB上。第二层是驱动模块层(10)，这一层上安装有驱动电路和电流采样电路。第三层是控制电路层(11)，微控制器、数字通讯接口模块、可编程逻辑器件装在第三层上。最上面一层是辅助电源层(12)。数字功率模块内部层与层之间采用专业接口连接。层次化的内部结构使数字功率模块的体积更加紧凑，并且功率层与控制电路层距离较远，功率电路产生的热量不容易传递到控制电路上。

在本实施例中功率电路为单相全控桥式电路，其电路原理图如图3所示。开关器件为MOSFET，在应用中开关器件也可以采用其他全控半导体开关器件。在本实施例中MOSFET选用的是IRFB4321，为了减小开关的导通阻抗，降低模块发热量，可以将多个MOSFET并联构成一个开关桥臂。所有的MOSFET焊接在一个具有较高导热能力的功率基板上。为了检测功率电路交流侧电流，在交流输出支路上串联有采样电阻R，交流电流检测模块通过测量电阻R两端电压获取交流电流信息。

驱动模块采用可以同时驱动上下桥臂的驱动芯片，上下桥臂开关信号的死区时间由驱动芯片自动插入。开关控制信号由微控制器产生并送到可编程逻辑器件中。可编程逻辑器件接收到开关控制信号以及各种保护信号后，经过相应的逻辑转换将开关控制信号送到驱动模块。可编程逻辑器件收到的保护信号包括微控制器发出的软件保护信号，如欠压、过压、过流、上位机保护等信号，以及从电流测量模块发出的过流保护信号。其中电流测量模块发出的过流保护信号能够在功率模块出现短路时提供快速的响应。

为了尽量简化数字功率模块的内部结构，在信号的测量上只设置了直流侧电压和交流侧电流两个信号的测量。其中功率电路直流电压信号取样后，通过信号调理电路进行调理，然后送到微控制器的模数转换接口。在对功率电路交流电流信号检测上，使用了专用的电机控制电流感应集成电路IR2177.该集成电路专为电机驱动应用而设计。它通过一个外部分流电阻感应桥式电路中输出相电流，将电流信息从模拟信号转为数字信号，并将信号转至低压电路。集成电路输出两种格式的电流采样信号，一种是PWM格式，由PWM信号的占空比反映采样电流信号；一种是直接输出精确的模拟电压信号。在本实施例中，电流感应集成电路IR2177的模拟输出信号被送到微控制器的模数转换端口。同时，IR2177带有过电流保护信号输出，当功率电路输出相电流超出保护电流门限时，IR2177将产生一个过电流保护信号。该过电流保护信号被送到可编程逻辑器件，当功率电路输出相电流过流时，可编程逻辑器件可以立即关闭所有功率开关，对模块进行保护。

可编程逻辑器件和微控制器共同组成控制系统。其中可编程逻辑器件主要用于处理来自微控制器的功率开关控制信号及各种保护信号，将为控制的器的发出的功率开关控制信号送到驱动电路，并加入保护逻辑，在各种故障信号来临时关闭功率开关，以保护模块。可编程逻辑器件内设有对微控制器的看门狗模块，当微控制器失效时，所有功率开关被关闭以保护模块。微控制器接受外部主控制器发送的工作参数，对功率开关进行控制。微控制器通过测量功率电路的直流侧电压和交流侧电路，对模块进行过压、欠压和过流保护。同时，根据直流侧电压和交流侧电流信号，使用PWM信号对功率开关进行控制，可以到达控制交流侧输出电压和电流的目的。

在电力电子系统中对每个开关的同步控制至关重要，在数字功率模块中同时采用了两种同步方法，保证多个数字功率模块同时协同工作时，每个数字功率模块与主控制器精确同步。首先是数字功率模块微控制器的时钟信号与外部时钟的同步。数字功率模块的微控制器时钟信号由晶振产生。由于每个晶振都有细微的差别，因此，即使使用同频率的晶振，主控制器与数字功率模块的时钟信号也不可能完全。为此，在数字功率模块内部设计了能够跟踪外部时钟输入信号的时钟同步电路。图4为数字功率模块内的时钟信号同步电路，在本实施例中时钟频率为7.6MHz。在图中X为与外部时钟频率一致的晶振，振荡频率为7.6MHz，N1、N2、N3为反相器，C1、C2、C3为33pf电容，R为1M欧姆电阻。当接入外部输入时钟信号时，该电路输出信号能够完全跟踪输入时钟的频率和相位，当无外部输入时钟时，该电路输出频率为本地晶振的时钟信号。因此，在外部时钟信号丢失的情况下，数字功率模块内的微控制器仍然能够在本地时钟下正常工作。

本发明的数字功率模块将控制器、驱动电路、功率器件、电源等电路集成到一个模块中，使数字功率模块的使用更加简单。使用数字功率模块可以快速开发出各种电力电子设备。

虽然本发明已经参考其中的具体实施例进行了描述，但是本领域的技术人员仍然可进行很多变通和改进等等。只要不超出本发明精神，都应该在本发明的范围内。

Claims (5)

1.一种数字功率模块，其内部包括功率电路(1)、驱动模块(3)，其特征在于，还包括直流侧电压检测模块(2)、交流侧电流检测模块(4)、微控制器(7)、可编程逻辑器件(5)、数字通讯接口模块(8)、辅助电源(6)；其中，功率电路有一个由直流正端(+)和直流负端(‐)组成的直流侧端口和一个交流侧端口；直流侧电压检测模块(2)将检测到的功率电路直流侧端口电压信号送到微控制器(7)，交流侧电流检测模块(4)将检测到的功率电路交流侧端口电流信号送到微控制器(7)，交流侧电流检测模块(4)的过流保护信号送到可编程逻辑器件(5)，微控制器(7)与可编程逻辑器件(5)之间相连接，可编程逻辑器件(5)产生开关信号通过驱动模块(3)驱动功率电路中的全控半导体开关器件；数字通讯接口(8)模块在数字功率模块内部与微控制器和可编程逻辑器件连接；辅助电源(6)的输入端与功率模块的直流侧端口连接，为数字功率模块内部的有源器件供电，所述微控制器(7)引入到数字功率模块中，功率电路的开关控制信号、各种保护功能和功率电路中重要的电压、电流信号的测量都在数字功率模块内部完成，所述数字功率模块的外部接口分成功率接口和控制接口两个部分，所述功率接口包括一个直流输入端口和一个交流输出端口，所述控制接口包括4个信号端口：一个串行输入端口(Rx)、一个串行输出端口(Tx)、一个时钟同步信号输入端口(Sync)、一个微控制器中断信号输入端口(Int)。

2.如权利要求1所述的数字功率模块，其特征在于，其功率电路是由带有反向并联二极管的半导体开关器件组成的单相H桥逆变电路，其中单相H桥逆变电路中的每个桥臂由多个半导体开关器件并联构成。

3.如权利要求1所述的数字功率模块，其特征在于，其功率电路是由带有反向并联二极管的半导体开关器件组成的三相H桥逆变电路，其中三相H桥逆变电路中的每个桥臂由多个半导体开关器件并联构成。

4.如权利要求2或3所述数字功率模块，其特征在于，所述半导体开关器件是MOSFET或IGBT。

5.如权利要求1所述的数字功率模块，其特征在于，数字功率模块内部分成四层结构，第一层是功率模块层(9)，功率模块中的半导体开关器件被焊接在一个具有高导热能力的功率基板上，用于交流电流测量的电流采样电阻也焊接在这个功率基板上；第二层是驱动模块层(10)，驱动电路和交流侧电流检测模块位于这个层面；第三层是控制电路层(11)；第四层是辅助电源层(12)。