CN103606901A - 静电保护装置、智能功率模块和变频家电 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种静电保护装置，包括：静电保护模块，连接至智能功率模块中的任一IGBT管，用于对所述任一IGBT管进行静电保护。本发明还提出了一种智能功率模块和一种变频家电。通过本发明的技术方案，能够在智能功率模块掉电的情况下，避免接地端的高压静电造成对IGBT管的破坏，确保智能功率模块的使用安全性，延长其使用寿命。

Description

静电保护装置、智能功率模块和变频家电

技术领域

本发明涉及静电保护技术领域，具体而言，涉及一种静电保护装置、一种智能功率模块和一种变频家电。

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。与传统的分立方案相比，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，是应用于变频调速、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。

如图1所示，为相关技术中提出的一种智能功率模块的结构示意图。具体地，该智能功率模块100包括：驱动芯片101和IGBT（InsulatedGate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）管121～126。

驱动芯片101的各个管脚与IGBT管121～126等的具体连接关系如下：

驱动芯片101的VCC端作为所述智能功率模块100的低压区供电电源正端VDD，VDD一般为15V；驱动芯片101的GND端作为所述智能功率模块100的低压区供电电源负端COM。

驱动芯片101的HIN1端作为所述智能功率模块100的U相上桥臂输入端UHIN；驱动芯片101的HIN2端作为所述智能功率模块100的V相上桥臂输入端VHIN；驱动芯片101的HIN3端作为所述智能功率模块100的W相上桥臂输入端WHIN；驱动芯片101的LIN1端作为所述智能功率模块100的U相下桥臂输入端ULIN；驱动芯片101的LIN2端作为所述智能功率模块100的V相下桥臂输入端VLIN；驱动芯片101的LIN3端作为所述智能功率模块100的W相下桥臂输入端WLIN（在此，所述智能功率模块100的U、V、W三相的六路输入接收0～5V的输入信号）。

驱动芯片101的VB1端作为所述智能功率模块100的U相高压区供电电源正端UVB；驱动芯片101的HO1端与U相上桥臂IGBT管121的栅极相连；驱动芯片101的VS1端与所述IGBT管121的射极、FRD管（快恢复二极管）111的阳极、U相下桥臂IGBT管124的集电极、FRD管114的阴极相连，并作为所述智能功率模块100的U相高压区供电电源负端UVS。

驱动芯片101的VB2端作为所述智能功率模块100的V相高压区供电电源正端VVB；驱动芯片101的HO3端与V相上桥臂IGBT管123的栅极相连。驱动芯片101的VS2端与所述IGBT管122的射极、FRD管112的阳极、V相下桥臂IGBT管125的集电极、FRD管115的阴极相连，并作为所述智能功率模块100的W相高压区供电电源负端VVS。

驱动芯片101的VB3端作为所述智能功率模块100的W相高压区供电电源正端WVB；驱动芯片101的HO3端与W相上桥臂IGBT管123的栅极相连；驱动芯片101的VS3端与所述IGBT管123的射极、FRD管113的阳极、W相下桥臂IGBT管126的集电极、FRD管116的阴极相连，并作为所述智能功率模块100的W相高压区供电电源负端WVS。

驱动芯片101的LO1端与所述IGBT管124的栅极相连；驱动芯片101的LO2端与所述IGBT管125的栅极相连；驱动芯片101的LO3端与所述IGBT管126的栅极相连。

所述IGBT管124的射极与所述FRD管114的阳极相连，并作为所述智能功率模块100的U相低电压参考端UN；所述IGBT管125的射极与所述FRD管115的阳极相连，并作为所述智能功率模块100的V相低电压参考端VN；所述IGBT管126的射极与所述FRD管116的阳极相连，并作为所述智能功率模块100的W相低电压参考端WN。

所述IGBT管121的集电极、所述FRD管111的阴极、所述IGBT管122的集电极、所述FRD管112的阴极、所述IGBT管123的集电极、所述FRD管113的阴极相连，并作为所述智能功率模块100的高电压输入端P，P一般接300V。

基于上述连接关系，则驱动芯片101的作用是：

将输入端HIN1、HIN2、HIN3和LIN1、LIN2、LIN3的0～5V的逻辑信号分别传到输出端HO1、HO2、HO3和LO1、LO2、LO3，其中HO1、HO2、HO3是VS～VS+15V的逻辑信号，LO1、LO2、LO3是0～15V的逻辑信号。

同时，驱动芯片101的输出电路部分采用COMS结构，且六路输出的结构完全相同，则下面以LO1为例，对其具体结构进行说明。

如图2所示，CMOS结构包括PMOS管1001和NMOS管1002。其中，PMOS管1001的衬底与源极相连，并连接VCC；NMOS管1002的衬底与源极相连，并连接GND；所述PMOS管1001的漏极与所述NMOS管1002的漏极相连并作为CMOS的输出，并作为LO1；所述PMOS管1001的栅极与所述NMOS管1002的栅极相连作为CMOS的输入，记为INL1。

基于上述连接关系，则CMOS的工作时序为：当INL1输入高电平时，LO1输出低电平；当INL1输入低电平时，LO1输出高电平。

由于智能功率模块100的应用环境非常恶略，一般会长期工作在高温而干燥的环境中，使得在不工作时，智能功率模块100需要承受2000V～3000V的静电。

而需要指出的是：如图2所示，NMOS管1002的衬底与漏极间有寄生二极管1004，即在GND与LO1间有寄生二极管1004，使得存在从COM（即驱动芯片101的GND）到所述寄生二极管1004再到所述IGBT管124的栅极的通路，所以，当COM对UN或者COM对UVS存在正向的静电，即所述IGBT管124的栅极对射极或者所述IGBT管124的栅极对集电极存在静电，所述IGBT管124的栅极容易受到静电破坏。

因此，存在下述技术问题：

如果使用栅氧厚度较薄的IGBT管，智能功率模块100非常容易受到静电破坏，使其生产下线率非常高，在实际使用中也有极大的受到静电破坏的风险；由于受到破坏的是IGBT管，所以如果是在实际使用中受到破坏，很容易引起上下桥臂同时导通，造成智能功率模块100电流失控而造成爆炸。

如果使用栅氧厚度较厚的IGBT管，智能功率模块100的开关速度会严重下降，这样的智能功率模块100的开关损耗极高，对于开关频率在千赫兹以上的使用场合，会造成很大的发热量，即使用尽可能大的散热片，智能功率模块100的工作温度会比环境温度高60℃以上，智能功率模块100长期工作在高温环境下，会造成其性能衰减严重，并缩短其使用寿命。

因此，如何既能够确保IGBT管具有较高开关速度，又能够具有较高的安全性，避免遭受静电破坏，成为目前亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出了一种静电保护装置。

本发明的另一个目的在于提出了一种智能功率模块。

本发明的又一个目的在于提出了一种变频家电。

为实现上述目的，根据本发明的第一方面的实施例，提出了一种静电保护装置，包括：静电保护模块，连接至智能功率模块中的任一IGBT管，用于对所述任一IGBT管进行静电保护。

在该技术方案中，对于智能功率模块中的IGBT管，通过增加独立的静电保护模块，使得当存在对IGBT管的高压静电时，比如在驱动芯片的地端与IGBT管的栅极之间存在通路时，能够通过该静电保护模块对静电进行吸收，从而避免IGBT管遭受静电破坏。

其中，相关技术中存在很多用于静电保护的元件、电路或设备，则基于静电吸收和保护的目的，显然都可以应用于本申请的技术方案中，比如各种类型的ESD（Electro-Static Discharge，静电阻抗器）。

另外，根据本发明上述实施例的静电保护装置，还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一个实施例，优选地，还包括：状态判断模块，连接至所述智能功率模块，用于判断所述智能功率模块的电源供电状况；所述静电保护模块还连接至所述状态判断模块，用于在所述状态判断模块判定所述智能功率模块的电源停止供电的情况下，对所述任一IGBT管进行静电保护。

在该技术方案中，由于仅在智能功率模块的电源停止供电时，才具有IGBT管被静电破坏的可能性，则通过对智能功率模块的电源供电状况的监测，并仅在其电源停止供电时，才对IGBT管进行静电保护，从而一方面能够无延迟地执行对IGBT管的保护，避免在掉电瞬间遭受破坏，另一方面则是在电源正常供电时，能够防止静电保护模块影响相连的IGBT管的正常工作。

当然，对于电源供电状态的检测，显然并不是必要的选择。静电保护模块并不一定会对IGBT管的工作状态产生影响；并且，即便存在影响，但在能够实现对IGBT管的静电保护的同时，在IGBT管处于工作状态的情况下的一定范围内的影响显然是可以接受的。

根据本发明的另一个实施例，优选地，所述状态判断模块包括：第一端，连接至所述任一IGBT管对应的供电端，检测对应于所述任一IGBT管的供电电压；第二端，连接至所述任一IGBT管对应的接地端，检测对应于所述任一IGBT管的接地电压；电压比较电路，连接至所述第一端和所述第二端，在所述供电电压与所述接地电压的电压差值大于或等于预设电压值时，判定所述电源供电状态为正常供电，在所述电压差值小于所述预设电压值时，判定所述电源供电状态为停止供电。

在该技术方案中，通过对任一IGBT管对应的供电端和接地端进行电压比较，能够快速判断出当前的电源供电情况。其中，每个IGBT管对应的供电端和接地端可能是不同的，比如：对于上桥的IGBT管，由于处于高压区，使得其接地端并不是0V（而可能是相对于低压区的“高压”），而供电端则是相对于该“低压”侧接地端的“高压”侧；对于下桥的IGBT管，由于处于低压区，使得其接地端理论上为0V，而供电端则是相对于该“低压”侧接地端的“高压”侧，尽管该“高压”侧可能低于上桥IGBT管的接地端电压。

具体地，比如当所述任一IGBT管为任一相的上桥臂时，所述任一IGBT管对应的供电端为所述任一相的高压区域的供电电源正端，所述任一IGBT管对应的接地端为所述任一相的高压区域的供电电源负端。

而当所述任一IGBT管为所述任一相的下桥臂时，所述任一IGBT管对应的供电端为所述智能功率模块的低压区域的供电电源正端，所述任一IGBT管对应的接地端为所述智能功率模块的低压区域的供电电源负端。

当然，对于电源供电状态的检测，显然也可以采用其他更多的方式，比如检测驱动芯片的工作状态、检测驱动芯片的供电电源的电压大小等，都可以实现上述的电源供电状态的准确获取。

根据本发明的另一个实施例，优选地，所述静电保护模块用于：根据所述智能功率模块的电源供电状况，切换并呈现出对应的电路特性，其中，当所述智能功率模块的电源正常供电时，所述静电保护模块呈现高阻特性，当所述智能功率模块的电源停止供电时，所述静电保护模块呈现电容特性。

在该技术方案中，通过静电保护模块自身的特性变化，从而能够在不改变静电保护模块与IGBT管的连接关系的情况下，仅通过切换为高阻特征，使得在IGBT管工作时，避免对其造成影响；通过切换为电容特征，使得在IGBT管掉电时，保护其免受静电影响，有助于降低电路的复杂性。

当然，本领域技术人员应该理解的是，静电保护模块也可以不通过特性切换的方式，同时避免对IGBT管在工作状态时造成影响，以及在掉电情况下执行静电保护。比如在一种较为具体的情况下，还可以在静电保护模块和IGBT管之间设置一开关，则当智能功率模块正常供电时，该开关断开，避免静电保护模块对IGBT管的影响，当智能功率模块停止供电时，该开关闭合，确保静电保护模块对IGBT管的静电保护。

根据本发明的另一个实施例，优选地，所述静电保护模块包括：电阻和电容，所述电阻的一端和电容的正极并联至所述任一IGBT管的栅极，且所述电容的负极连接至所述任一IGBT管对应的接地端；开关器件，所述开关器件的第一端连接至所述状态判断模块、第二端连接至所述电阻的另一端、第三端连接至所述任一IGBT管对应的接地端；其中，所述开关器件在上述智能功率模块的电源正常供电时，闭合所述电阻与所述任一IGBT管对应的接地端的连接，以及在所述智能功率模块的电源停止供电时，断开所述电阻与所述任一IGBT管对应的接地端的连接。

在该技术方案中，应当对电阻和电容的具体型号和特性数值进行选择和设置，使得当切换至电阻时，能够呈现出高阻状态，以及当切换至电容时，能够对静电进行有效吸收。

而对于开关器件，则显然存在多种选择，比如继电器等；而为了降低电路搭建的复杂度，提高切换效率，作为一种具体的实施例，可以采用开关管，所述开关管在上述智能功率模块的电源正常供电时饱和导通，在所述智能功率模块的电源停止供电时截止。

根据本发明第二方面的实施例，提出了一种智能功率模块，包括至少一个如上述技术方案中任一项所述的静电保护装置。

根据本发明第三方面的实施例，提出了一种变频家电，包括上述的智能功率模块，比如变频空调、变频冰箱、变频洗衣机等。

通过以上技术方案，可以在智能功率模块掉电的情况下，避免接地端的高压静电造成对IGBT管的破坏，确保智能功率模块的使用安全性，延长其使用寿命。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1示出了相关技术中的智能功率模块的结构示意图；

图2示出了相关技术中的智能功率模块中的驱动芯片的输出端口的结构示意图；

图3A示出了根据本发明的一个实施例的用于上桥臂的IGBT管的静电保护装置的电路结构示意图；

图3B示出了根据本发明的一个实施例的用于下桥臂的IGBT管的静电保护装置的电路结构示意图；

图4示出了根据本发明的一个实施例的智能功率模块的结构示意图；

图5示出了根据本发明的另一个实施例的智能功率模块的结构示意图；

图6示出了根据本发明的一个实施例的静电保护模块的结构示意图；

图7为图6所示实施例的静电保护模块的具体结构示意图；

图8示出了根据本发明的一个实施例的静电保护装置的结构示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不限于下面公开的具体实施例的限制。

基于本发明的目的，即对于智能功率模块中的IGBT管的静电保护，本发明提出了一种静电保护装置，能够对所述任一IGBT管进行静电保护。

基于图1所示的智能功率模块100的具体结构可知，对于每相线路而言，都包含对应于高压区的上桥臂IGBT管和对应于低压区的下桥臂IGBT管，比如对于U相线路，则IGBT管121为上桥臂、IGBT管124为下桥臂。为了便于说明，下面分别针对上桥臂和下桥臂的IGBT管，对静电保护装置的具体连接关系进行详细说明。

图3A示出了根据本发明的一个实施例的用于上桥臂的IGBT管的静电保护装置的电路结构示意图。

如图3A所示，静电保护装置包括：静电保护模块302。该静电保护模块302连接至智能功率模块中的任一IGBT管，用于对所述任一IGBT管进行静电保护。

为了便于说明，在图3A所示的技术方案中，静电保护模块302所连接的是U相线路中的上桥臂IGBT管（即图1所示的IGBT121）。具体地，图3A中以连接至该上桥臂IGBT管的栅极，表示连接至该IGBT管。

通过增加独立的静电保护模块302，使得当存在对IGBT管的高压静电时，比如在驱动芯片的地端与IGBT管的栅极之间存在通路时，能够通过该静电保护模块302对静电进行吸收，从而避免IGBT管遭受静电破坏。

其中，相关技术中存在很多用于静电保护的元件、电路或设备，则基于静电吸收和保护的目的，显然都可以应用于本申请的技术方案中以作为静电保护模块302，比如各种类型的ESD（Electro-Static Discharge，静电阻抗器）。

作为一种优选方案，静电保护装置中还可以包括：状态判断模块304，连接至所述智能功率模块，用于判断所述智能功率模块的电源供电状况；所述静电保护模块302还连接至所述状态判断模块304，用于在所述状态判断模块304判定所述智能功率模块的电源停止供电的情况下，对所述任一IGBT管进行静电保护。

在该技术方案中，由于仅在智能功率模块的电源停止供电时，才具有IGBT管被静电破坏的可能性，则通过对智能功率模块的电源供电状况的监测，并仅在其电源停止供电时，才对IGBT管进行静电保护，从而一方面能够无延迟地执行对IGBT管的保护，避免在掉电瞬间遭受破坏，另一方面则是在电源正常供电时，能够防止静电保护模块302影响相连的IGBT管的正常工作。

当然，对于电源供电状态的检测，显然并不是必要的选择。静电保护模块302并不一定会对IGBT管的工作状态产生影响；并且，即便存在影响，但在能够实现对IGBT管的静电保护的同时，在IGBT管处于工作状态的情况下的一定范围内的影响显然是可以接受的。

图3B示出了根据本发明的一个实施例的用于下桥臂的IGBT管的静电保护装置的电路结构示意图。

如图3B所示，相类似地，对于智能功率模块中的下桥臂IGBT管而言，静电保护装置也可以包括：静电保护模块302。该静电保护模块302连接至智能功率模块中的任一IGBT管，用于对所述任一IGBT管进行静电保护。

为了便于说明，在图3B所示的技术方案中，静电保护模块302所连接的是U相线路中的下桥臂IGBT管（即图1所示的IGBT126），即图3B中下方的IGBT管；而上方的IGBT管即U相线路中的上桥臂IGBT管。具体地，图3B中以连接至该下桥臂IGBT管的栅极，表示连接至该IGBT管。

同样地，作为一种优选方案，静电保护装置中还可以包括：状态判断模块304，连接至所述智能功率模块，用于判断所述智能功率模块的电源供电状况；所述静电保护模块302还连接至所述状态判断模块304，用于在所述状态判断模块304判定所述智能功率模块的电源停止供电的情况下，对所述任一IGBT管进行静电保护。

在图3A和图3B分别所示的上桥臂和下桥臂的电路连接结构中，作为一种具体的电路结构和连接方式，状态判断模块304具体可以包括：

第一端，连接至所述任一IGBT管对应的供电端，检测对应于所述任一IGBT管的供电电压；第二端，连接至所述任一IGBT管对应的接地端，检测对应于所述任一IGBT管的接地电压；电压比较电路，连接至所述第一端和所述第二端，在所述供电电压与所述接地电压的电压差值大于或等于预设电压值时，判定所述电源供电状态为正常供电，在所述电压差值小于所述预设电压值时，判定所述电源供电状态为停止供电。

其中，对应于图3A所示的情况下，由于上桥臂IGBT管位于高压区，则其接地端为相对的地，即并不为0V，甚至可能是相对于低压区的“高压”，而供电端也是相对于该“低压”侧接地端的“高压”侧。因此，第一端即端点A1，连接至UVB端，而第二端即端点B1，连接至UVS端。

对应于图3B所示的情况下，由于下桥臂IGBT管位于低压区，则其接地端理论上为0V，而供电端则是相对于该“低压”侧接地端的“高压”侧，尽管该“高压”侧可能低于上桥IGBT管的接地端电压。因此，第一端即端点A2，连接至驱动电路101的供电电源VDD，而第二端即端点B2，连接至UN端。

作为一种具体的电源供电状态的检测方式，图3A和图3B中示出的对于某个IGBT管的相对的供电端和接地端的检测，能够对线路上的电压变化进行快速反应，从而迅速判断出当前的电源供电情况，避免掉电瞬间造成IGBT管被高压静电破坏。

图4示出了根据本发明的一个实施例的智能功率模块的结构示意图。

如图4所示，智能功率模块10中的每个IGBT管都应用了图3A或图3B所示的静电保护装置，即“ESD耐量提升电路41～46”，以实现对IGBT管的静电防护。

其中，智能功率模块10的具体线路结构包括：

驱动电路（或驱动芯片）40的VCC作为所述智能功率模块10的VDD端，VDD是所述智能功率模块10的低压区供电电源，VDD一般为15V。

所述驱动电路40的HIN1端作为所述智能功率模块10的U相上桥臂输入端UHIN；所述驱动电路40的HIN2端作为所述智能功率模块10的V相上桥臂输入端VHIN；所述驱动电路40的HIN3端作为所述智能功率模块10的W相上桥臂输入端WHIN；所述驱动电路40的LIN1端作为所述智能功率模块10的U相下桥臂输入端ULIN；所述驱动电路40的LIN2端作为所述智能功率模块10的V相下桥臂输入端VLIN；所述驱动电路40的LIN3端作为所述智能功率模块10的W相下桥臂输入端WLIN。（在此，所述智能功率模块10的U、V、W三相的六路输入接收0～5V的输入信号）

所述驱动电路40的VB1端与ESD耐量提升电路41的第一输入输出端相连并作为所述智能功率模块10的U相高压区供电电源正端UVB；所述驱动电路40的VB2端与ESD耐量提升电路42的第一输入输出端相连并作为所述智能功率模块10的V相高压区供电电源正端VVB；所述驱动电路40的VB3端与ESD耐量提升电路43的第一输入输出端相连并作为所述智能功率模块10的W相高压区供电电源正端WVB。

所述驱动电路40的VS1端与ESD耐量提升电路41的第二输入输出端、所述IGBT管21的射极、FRD管11的阳极、IGBT管24的集电极、FRD管14的阴极相连，并作为所述智能功率模块10的U相高压区供电电源负端UVS；所述驱动电路40的VS2端与ESD耐量提升电路42的第二输入输出端、所述IGBT管22的射极、FRD管12的阳极、IGBT管25的集电极、FRD管15的阴极相连，并作为所述智能功率模块10的V相高压区供电电源负端VVS；所述驱动电路40的VS3端与ESD耐量提升电路43的第二输入输出端、所述IGBT管23的射极、FRD管13的阳极、IGBT管26的集电极、FRD管16的阴极相连，并作为所述智能功率模块10的W相高压区供电电源负端WVS。

所述IGBT管21的集电极、所述FRD管11的阴极、所述IGBT管22的集电极、所述FRD管12的阴极、所述IGBT管23的集电极、所述FRD管13的阴极相连，并作为所述智能功率模块10的高电压输入端P，P一般接300V。

所述IGBT管24的射极与FRD管14的阳极、所述ESD耐量提升电路44的第三输入输出端相连，并作为所述智能功率模块10的U相低电压参考端UN；所述IGBT管25的射极与FRD管15的阳极、所述ESD耐量提升电路45的第三输入输出端相连，并作为所述智能功率模块10的V相低电压参考端VN；所述IGBT管26的射极与FRD管16的阳极、所述ESD耐量提升电路46的第三输入输出端相连，并作为所述智能功率模块10的W相低电压参考端WN。

所述驱动电路40的HO1端与IGBT管21的栅极、所述ESD耐量提升电路41的第三输入输出端相连；所述驱动电路40的HO2端与IGBT管22的栅极、所述ESD耐量提升电路42的第三输入输出端相连；所述驱动电路40的HO3端与IGBT管23的栅极、所述ESD耐量提升电路43的第三输入输出端相连。

所述驱动电路40的LO1端与IGBT管24的栅极、所述ESD耐量提升电路44的第三输入输出端相连；所述驱动电路40的LO2端与IGBT管25的栅极、所述ESD耐量提升电路45的第三输入输出端相连；所述驱动电路40的LO3端与IGBT管26的栅极、所述ESD耐量提升电路46的第三输入输出端相连。

其中，驱动电路40的作用是：接收UHIN、VHIN、WHIN、ULIN、VLIN、WLIN六个输入端的0～5V信号，分别传到输出端HO1、HO2、HO3和LO1、LO2、LO3，其中HO1、HO2、HO3是VS～VS+15V的逻辑信号，LO1、LO2、LO3是0～15V的逻辑信号。它与现有技术的所述HVIC管101的作用完全相同。

同时，所述ESD耐量提升电路41、所述ESD耐量提升电路42、所述ESD耐量提升电路43、所述ESD耐量提升电路44、所述ESD耐量提升电路45、所述ESD耐量提升电路46的结构和作用完全相同，分别连接至各自的IGBT管。

当然，虽然图3A和图3B示出了一种具体的电源供电状态的检测方式，但对于电源供电状态的检测，显然也可以采用其他更多的方式，比如检测驱动芯片的工作状态、检测驱动芯片的供电电源的电压大小等，都可以实现上述的电源供电状态的准确获取。下面结合图5，对其中一种较为具体的检测方式进行详细说明。

图5示出了根据本发明的另一个实施例的智能功率模块的结构示意图。

如图5所示，在智能功率模块中，仅包含一个状态检测模块304，其连接至驱动芯片101的供电电源VDD侧，用于直接对该VDD侧的供电情况进行检测。

同时，每个IGBT管都连接至一个静电保护模块302，且该状态检测模块304分别连接至每个静电保护模块302，并将检测到的电源供电状态同时反馈至所有的静电保护模块302，以确定是否执行静电保护。

在本发明的技术方案中，对于上述任一技术方案中的静电保护模块302，提出了一种具体的保护模式，包括：静电保护模块302根据所述智能功率模块的电源供电状况，切换并呈现出对应的电路特性，其中，当所述智能功率模块的电源正常供电时，所述静电保护模块302呈现高阻特性，当所述智能功率模块的电源停止供电时，所述静电保护模块302呈现电容特性。

在该技术方案中，通过静电保护模块自身的特性变化，从而能够在不改变静电保护模块与IGBT管的连接关系的情况下，仅通过切换为高阻特征，使得在IGBT管工作时，避免对其造成影响；通过切换为电容特征，使得在IGBT管掉电时，保护其免受静电影响，有助于降低电路的复杂性。

图6示出了根据本发明的一个实施例的静电保护模块的结构示意图。

如图6所示，作为一种较为具体的实施例，以U相线路中的下桥臂IGBT管为例，静电保护模块302包括：电阻R和电容C，所述电阻R的一端和电容C的正极并联至所述任一IGBT管的栅极，且所述电容C的负极连接至所述任一IGBT管对应的接地端UN；开关器件302A，所述开关器件302A的第一端连接至所述状态判断模块304、第二端连接至所述电阻R的另一端、第三端连接至所述任一IGBT管对应的接地端UN；其中，所述开关器件302A在上述智能功率模块的电源正常供电时，闭合所述电阻R与所述任一IGBT管对应的接地端UN的连接，以及在所述智能功率模块的电源停止供电时，断开所述电阻R与所述任一IGBT管对应的接地端UN的连接。

在该技术方案中，应当对电阻R和电容C的具体型号和特性数值进行选择和设置，使得当切换至电阻R时，能够呈现出高阻状态，以及当切换至电容C时，能够对静电进行有效吸收。

而对于开关器件302A，则显然存在多种选择，比如继电器等；而为了降低电路搭建的复杂度，提高切换效率，作为一种具体的实施例，图7示出了图6所示实施例的静电保护模块302的具体结构示意图。

如图7所示，具体可以采用开关管N（图7所示为NMOS管），所述开关管N在上述智能功率模块的电源正常供电时饱和导通，在所述智能功率模块的电源停止供电时截止。

当然，本领域技术人员应该理解的是，静电保护模块302也可以不通过特性切换的方式，同时避免对IGBT管在工作状态时造成影响，以及在掉电情况下执行静电保护。比如在一种较为具体的情况下（图中未示出），还可以在静电保护模块302和IGBT管之间设置一开关，则当智能功率模块正常供电时，该开关断开，避免静电保护模块302对IGBT管的影响，当智能功率模块停止供电时，该开关闭合，确保静电保护模块304对IGBT管的静电保护。

图8示出了根据本发明的一个实施例的静电保护装置的结构示意图。

如图8所示，根据本发明的一个实施例的静电保护装置，包括静电保护模块302和状态判断模块304。其中，以图4所示的ESD耐量提升电路图44为例，则各个元器件之间的连接关系如下：

电阻3401的一端接VCC，VCC即为ESD耐量提升电路44的第一端。

电阻3401的另一端接电阻3402的一端和NMOS管3407的漏极、PMOS管3405的源极。

电阻3402的另一端接电阻3403的一端和NMOS管3406的漏极、PMOS管3408的源极。

电阻3403的另一端接UN，UN即为ESD耐量提升电路44的第二端。

PMOS管3405和PMOS管3408的衬底接VCC。

NMOS管3406和NMOS管3407的衬底接GND（即UN）。

PMOS管3405的漏极、PMOS管3408的漏极、NMOS管3406的源极、NMOS管3407的源极相连并接NMOS管3417的栅极。

电阻3409的一端接VCC，电阻3409的另一端接NMOS管3410的漏极和栅极、NMOS管3411的栅极、NMOS管3415的栅极、NMOS管3421的栅极、NMOS管3423的栅极。

NMOS管3410的衬底与源极、NMOS管3411的衬底与源极、NMOS管3415的衬底与源极、NMOS管3421的衬底与源极、NMOS管3423的衬底与源极、NMOS管3426的衬底与源极、NMOS管3201的衬底与源极相连，并接GND。

NMOS管3411的漏极与PMOS管3412的漏极和栅极、PMOS管3413的栅极相连。

PMOS管3412的衬底与源极、PMOS管3413的衬底与源极相连并接VCC。

PMOS管3413的漏极接NMOS管3416的栅极、稳压二极管3414的阴极，稳压二极管3414的阳极接GND。

NMOS管3416的衬底与源极、NMOS管3417的衬底与源极、NMOS管3415的漏极相连。

NMOS管3417的漏极与PMOS管3419的的栅极、PMOS管3418的漏极与栅极相连。

PMOS管3419的衬底与源极、PMOS管3418的衬底与源极相连并接VCC。

PMOS管3419的漏极与PMOS管3420的栅极相连。

PMOS管3420的衬底与源极相连并接VCC。

PMOS管3420的漏极与NMOS管3421的漏极、非门3422的输入端相连。

非门3422的输出端与NMOS管3426的栅极、PMOS管3408的栅极、NMOS管3407的栅极、非门3404的输入端相连。

非门3404的输出端与PMOS管3405、NMOS管3406的栅极。

NMOS管3423的漏极与PMOS管3424的漏极和栅极、PMOS管3425的栅极相连。

PMOS管3424的衬底与源极、PMOS管3425的衬底与源极相连并接VCC。

PMOS管3425的漏极与NMOS管3426的漏极、非门3428的输入端、电容3427的一端相连。

电容3427的另一端接GND。

非门3428的输出端接NMOS管3201的栅极。

NMOS管3201的漏极与电阻3202的一端相连。

电阻3202的另一端与电容3203的一端相连并作为ESD耐量提升电路44的第三输入输出端，记为OUT。

电容3203的另一端接GND。

基于上述具体的电路结构，记图3中A点的电压为UA，B点的电压为UB，则ESD耐量提升电路44的具体工作原理包括：

1、智能功率模块10（如图4所示）正常工作

电阻3409与NMOS管3410组成电流源产生电流，镜像到NMOS管3411，在通过PMOS管3412镜像到PMOS管3413，从而使稳压管3414有电流流过，在NMOS管3416的栅极形成电压，记为VZ；对于使用一般的BCD工艺设计出的稳压管，VZ为6.4V左右。

因为智能功率模块10正常工作，VCC电压为15V，电阻3401、电阻3402和电阻3403设计适当的阻值，使无论UA还是UB都大于VZ；NMOS管3417的栅极电压大于NMOS管3416的栅极电压，从而使PMOS管3420的栅极为高电平，PMOS管3420截止，非门3422的输入为低电平。

非门3422的输出为高电平，非门3404的输出为低电平，从而使PMOS管3405和NMOS管3407导通而PMOS管3408和NMOS管3406截止；即此时NMOS管3417的栅极电压为UA。

又因为非门3422的输出为高电平，NMOS管3426导通使非门3428的输入为低电平，非门3428的输出为高电平，NMOS管3201饱和导通，等价于电阻3202的一端接GND另一端接OUT，为电阻3202设计适当的电阻值，使OUT对GND呈高阻特性。

2、智能功率模块10停止供电

智能功率模块10即将停止工作时，VCC断电，其电压逐渐下降，对于一般的BCD工艺，即使VCC降至5V，电阻3409与NMOS管3410组成电流源仍能产生电流，设在某个时刻，VCC降至7V，这时，电流源产生的电流镜像到NMOS管3411，在通过PMOS管3412镜像到PMOS管3413，从而使稳压管3414有电流流过，设计适当的稳压管3414，在NMOS管3416的栅极形成电压仍为VZ。

为电阻3401、电阻3402和电阻3403设计适当的阻值，使此时的UA刚好小于VZ；NMOS管3417的栅极电压小于NMOS管3416的栅极电压，从而使PMOS管3420的栅极为低电平，PMOS管3420导通，非门3422的输入为高电平。

非门3422的输出为低电平，非门3404的输出为高电平，从而使PMOS管3405和NMOS管3407截止而PMOS管3408和NMOS管3406导通；即此时NMOS管3417的栅极电压从UA变为UB，UB是一个比UA更小的电压。

又因为非门3422的输出为低电平，NMOS管3426截止使非门3428的输入为高电平，非门3428的输出为低电平，NMOS管3201截止，等价于电阻3202的一端断路另一端接OUT，由于电容3203的存在，使OUT对GND呈电容特性。

当VCC继续下降到断电，NMOS管3201保持截止状态，因此，ESD耐量提升电路44在智能功率模块10停止工作后能保持电容特性，相当于在智能功率模块10停止工作后在IGBT管24的栅极并联了电容，为电容3203设计适当的电容值，可大幅提高IGBT管24的栅极的抗ESD能力。

而如果VCC的下降并非因为智能功率模块10断电而是供电电源的电压波动，则需要等待VCC回升到使UB>VZ，ESD耐量提升电路44才能恢复高阻特性。

3、关键元件的取值

设计出UA和UB，是为了避免在VCC电压异常波动而非真正断电时，OUT都GND的特性频繁在电容特性和高阻特性间切换，可以考虑：

设计VCC=7V时，ESD耐量提升电路44从高阻特性变成电容特性；

设计VCC=10V时，ESD耐量提升电路44从电容特性变成高阻特性。

优选地，可以将电阻3401、电阻3402和电阻3403的阻值的比值设计为3:10:23，并为同种类型的电阻，如POLY电阻，在版图绘制时，三枚POLY电阻的走向应完全相同，以确保三枚电阻的阻值受工艺差异的影响完全相同，从而确保三枚电阻的阻值比值一致。即：

$\mathrm{UA}=\frac{10+23}{3+10+23}\·\mathrm{VCC},$

$\mathrm{UB}=\frac{23}{3+10+23}\·\mathrm{VCC},$

则当VCC=7V时，UA≈6.4V；当VCC=10V时，UB≈6.4V。

电阻3402的阻值可取为30kΩ，使电阻3401、电阻3402和电阻3403的总阻值为360kΩ，VCC=15V时，有42μA的电流流过，对智能功率模块10的静态功耗的影响可以忽略。

根据不同的BCD工艺，为电阻3409设计适当的阻值，为NMOS管3410设计适当的宽长比，时电流源电流为10μA左右，对于目前常见的600V的BCD工艺，可以将电阻3409的阻值设计成100kΩ，NMOS管3410的宽长比设计成5μm/3μm。

NMOS管3411的大小与NMOS管3410一致，PMOS管3413的大小与PMOS管3412一致，从而使10μA的电流流过稳压二极管3414，对于一般的BCD工艺，稳压二极管在电流为100nA～1mA都能保持恒定的电压。

为了进一步降低供电电源波动对ESD耐量增强电路44的特性切换的影响，设计有电容3427用于降低信号传输的速度，根据供电电源的电压波动情况，可将电容3427的容值设计成1pF～100pF，这样能保证ESD耐量增强电路44有迅速的反应速度的同时，对供电电源的波动有一定滤过作用。

电阻3202的阻值可设计成1MΩ以上，确保在ESD耐量增强电路44呈现电阻特性是，对加载到IGBT管24的栅极电压尽可能大，对IGBT管24的开关速度的影响尽可能小。

电容3203的容值越大，对ESD耐量的增强作用越明显，考虑到一般消费类电子产品的ESD耐量为±2000V，并出于节省面积和成本，可以将电容3203的容值设计成22nF或47nF。

此外，除图4、图5等示出的智能功率模块之外，本发明还提出了包含上述任一项所述的静电保护装置的智能功率模块（图中未示出）；同时，本发明还提出了包含上述任一项所述的智能功率模块的变频家电（图中未示出）。

以上结合附图详细说明了本发明的技术方案，考虑到相关技术中，智能功率模块容易受到静电冲击的影响，因此，本发明提出了一种静电保护装置、一种智能功率模块和一种变频家电，能够在智能功率模块掉电的情况下，避免接地端的高压静电造成对IGBT管的破坏，确保智能功率模块的使用安全性，延长其使用寿命。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种静电保护装置，其特征在于，包括：

静电保护模块，连接至智能功率模块中的任一IGBT管，用于对所述任一IGBT管进行静电保护。

2.根据权利要求1所述的静电保护装置，其特征在于，还包括：

状态判断模块，连接至所述智能功率模块，用于判断所述智能功率模块的电源供电状况；

所述静电保护模块还连接至所述状态判断模块，用于在所述状态判断模块判定所述智能功率模块的电源停止供电的情况下，对所述任一IGBT管进行静电保护。

3.根据权利要求2所述的静电保护装置，其特征在于，所述状态判断模块包括：

第一端，连接至所述任一IGBT管对应的供电端，检测对应于所述任一IGBT管的供电电压；

第二端，连接至所述任一IGBT管对应的接地端，检测对应于所述任一IGBT管的接地电压；

电压比较电路，连接至所述第一端和所述第二端，在所述供电电压与所述接地电压的电压差值大于或等于预设电压值时，判定所述电源供电状态为正常供电，在所述电压差值小于所述预设电压值时，判定所述电源供电状态为停止供电。

4.根据权利要求3所述的静电保护装置，其特征在于，当所述任一IGBT管为任一相的上桥臂时，所述任一IGBT管对应的供电端为所述任一相的高压区域的供电电源正端，所述任一IGBT管对应的接地端为所述任一相的高压区域的供电电源负端。

5.根据权利要求3所述的静电保护装置，其特征在于，当所述任一IGBT管为所述任一相的下桥臂时，所述任一IGBT管对应的供电端为所述智能功率模块的低压区域的供电电源正端，所述任一IGBT管对应的接地端为所述智能功率模块的低压区域的供电电源负端。

6.根据权利要求2所述的静电保护装置，其特征在于，所述静电保护模块用于：

根据所述智能功率模块的电源供电状况，切换并呈现出对应的电路特性，

其中，当所述智能功率模块的电源正常供电时，所述静电保护模块呈现高阻特性，当所述智能功率模块的电源停止供电时，所述静电保护模块呈现电容特性。

7.根据权利要求6所述的静电保护装置，其特征在于，所述静电保护模块包括：

电阻和电容，所述电阻的一端和电容的正极并联至所述任一IGBT管的栅极，且所述电容的负极连接至所述任一IGBT管对应的接地端；

开关器件，所述开关器件的第一端连接至所述状态判断模块、第二端连接至所述电阻的另一端、第三端连接至所述任一IGBT管对应的接地端；

其中，所述开关器件在上述智能功率模块的电源正常供电时，闭合所述电阻与所述任一IGBT管对应的接地端的连接，以及在所述智能功率模块的电源停止供电时，断开所述电阻与所述任一IGBT管对应的接地端的连接。

8.根据权利要求7所述的静电保护装置，其特征在于，所述开关器件包括：

开关管，所述开关管在上述智能功率模块的电源正常供电时饱和导通，在所述智能功率模块的电源停止供电时截止。

9.一种智能功率模块，其特征在于，包括至少一个如权利要求1-8中任一项所述的静电保护装置。

10.一种变频家电，其特征在于，包括如权利要求9所述的智能功率模块。

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