CN104811078B - 智能功率模块和空调器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种智能功率模块和一种空调器，其中，智能功率模块包括：上桥臂信号输入端、下桥臂信号输入端和温度保护端；驱动芯片，所述驱动芯片上设置有对应于温度保护端的第一端口，第一端口通过连接线与温度保护端相连；热敏电阻，连接在所述温度保护端和智能功率模块的低压区供电电源负端之间；自关断温度保护电路，其输入端连接至所述第一端口，其输出端连接至驱动芯片的使能端；若热敏电阻感测到智能功率模块的温度达到预定值或连接线断开，自关断温度保护电路输出低电平使能信号。本发明可以避免智能功率模块内部的温度保护端的连接线断路时继续工作而导致意外情况的发生，提高了智能功率模块的安全性。

Description

智能功率模块和空调器

技术领域

本发明涉及智能功率模块技术领域，具体而言，涉及一种智能功率模块和一种空调器。

背景技术

智能功率模块(Intelligent Power Module，简称IPM)是一种将电力电子分立器件和集成电路技术集成在一起的功率驱动器，智能功率模块包含功率开关器件和高压驱动电路，并带有过电压、过电流和过热等故障检测电路。智能功率模块的逻辑输入端接收主控制器的控制信号，输出端驱动压缩机或后续电路工作，同时将检测到的系统状态信号送回主控制器。相对于传统分立方案，智能功率模块具有高集成度、高可靠性、自检和保护电路等优势，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、变频家电的理想电力电子器件。

现有的智能功率模块电路的结构示意图如图1所示，在HVIC管141内部，TRIP端与电阻106的一端、电压比较器105的负端相连；电阻106的另一端接GND；电压比较器105的正端与电压源104的正端相连；电压比较器104的负端接GND；电压比较器105的输出信号作为HVIC管141的内部使能控制信号。如图2所示，智能功率模块100的VDD端与温度保护端TR之间连接有热敏电阻139。

在HVIC管141的TRIP端与智能功率模块100的温度保护端TR之间是通过绑定线进行连接的，绑定线可能为铝线、铜线、金线，在注塑后，绑定线被塑封料包裹，智能功率模块一般安装在室外环境中，工作时发热，所以在其生命周期里温度变化较大，因为塑封料与绑定线的膨胀率不一致，所以会有拉扯应力存在，绑定线会有被扯断的风险，对于现行的智能功率模块，因为绑定线被扯断后，TRIP通过下拉电阻的作用为低电平，所以智能功率模块100使能信号为高电平，从而使现行智能功率模块100继续保持工作状态，但失去温度监控后的智能功率模块100在温度超过额定工作温度时仍然继续工作，这不但会引起IGBT等功率器件的劣化，影响智能功率模块100的使用寿命，而且存在安全隐患：导致温度持续升高，使IGBT等功率元件在过度发热情况下发生烧毁，因为IGBT管承受高压和大电流，在大多数工况下，IGBT管的烧毁会导致整个智能功率模块的烧毁，严重时甚至会引起火灾。

因此，如何能够提高智能功率模块的安全性，避免智能功率模块内部的温度保护端的连接线断路而导致意外情况的发生成为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新的智能功率模块，可以避免智能功率模块内部的温度保护端的连接线断路时继续工作而导致意外情况的发生，提高了智能功率模块的安全性。

本发明的另一个目的在于提出了一种空调器。

为实现上述目的，根据本发明的第一方面的实施例，提出了一种智能功率模块，包括：上桥臂信号输入端、下桥臂信号输入端和温度保护端；驱动芯片，所述驱动芯片上设置有分别连接至所述上桥臂信号输入端和所述下桥臂信号输入端的接线端子，以及对应于所述温度保护端的第一端口，所述第一端口通过连接线与所述温度保护端相连；热敏电阻，所述热敏电阻的第一端连接至所述温度保护端，所述热敏电阻的第二端连接至所述智能功率模块的低压区供电电源负端；自关断温度保护电路，所述自关断温度保护电路的输入端连接至所述第一端口，所述自关断温度保护电路的输出端连接至所述驱动芯片的使能端；

其中，若所述热敏电阻感测到所述智能功率模块的温度达到预定值或所述连接线断开，所述自关断温度保护电路输出低电平使能信号。

根据本发明的实施例的智能功率模块，驱动芯片即上述的HVIC管，通过在智能功率模块的温度保护端连接热敏电阻，使得自关断温度保护电路能够根据热敏电阻的阻值和热敏电阻是否接入电路来输出使能信号，进而可以确保在驱动芯片的第一端口与温度保护端之间的连接线断路时，能够输出控制驱动芯片停止工作的使能信号，避免智能功率模块继续工作而产生安全事故，提高了智能功率模块的安全性。

根据本发明的上述实施例的智能功率模块，还可以具有以下技术特征：

根据本发明的一个实施例，所述热敏电阻为正温度系数热敏电阻；所述自关断温度保护电路包括：

比较器，所述比较器的负输入端作为所述自关断温度保护电路的输入端，所述比较器的负输入端还通过电阻元件连接至所述智能功率模块的低压区供电电源正端；电压源，所述电压源的正极连接至所述比较器的正输入端，所述电压源的负极连接至所述低压区供电电源负端，所述比较器的输出端作为所述自关断温度保护电路的输出端。

根据本发明的实施例的智能功率模块，由于热敏电阻为正温度系数热敏电阻，因此在智能功率模块的温度较低时，热敏电阻的阻值较小，比较器输出高电平使能信号；在智能功率模块的温度较高时，热敏电阻的阻值较大，比较器输出低电平使能信号；在驱动芯片的第一端口与温度保护端之间的连接线断路时，比较器输出同样输出低电平使能信号，保证了在智能功率模块温度较高及温度保护端的连接线断路时，能够控制智能功率模块停止工作，有效提高了智能功率模块的安全性。

根据本发明的一个实施例，还包括：三相上桥臂电路，所述三相上桥臂电路中的每一相上桥臂电路的输入端连接至所述驱动芯片的三相高压区中对应相的信号输出端；三相下桥臂电路，所述三相下桥臂电路中的每一相下桥臂电路的输入端连接至所述驱动芯片的三相低压区中对应相的信号输出端。

其中，三相上桥臂电路包括：U相上桥臂电路、V相上桥臂电路、W相上桥臂电路；三相下桥臂电路包括：U相下桥臂电路、V相下桥臂电路、W相下桥臂电路。

根据本发明的一个实施例，所述每一相上桥臂电路包括：第一功率开关管和第一二极管，所述第一二极管的阳极连接至所述第一功率开关管的发射极，所述第一二极管的阴极连接至所述第一功率开关管的集电极，所述第一功率开关管的集电极连接至所述智能功率模块的高电压输入端，所述第一功率开关管的基极作为所述每一相上桥臂电路的输入端。

其中，第一功率开关管可以是IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)。

根据本发明的一个实施例，所述每一相下桥臂电路包括：第二功率开关管和第二二极管，所述第二二极管的阳极连接至所述第二功率开关管的发射极，所述第二二极管的阴极连接至所述第二功率开关管的集电极，所述第二功率开关管的集电极连接至对应的上桥臂电路中的所述第一二极管的阳极，所述第二功率开关管的基极作为所述每一相下桥臂电路的输入端。

其中，第二功率开关管可以是IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)。

根据本发明的一个实施例，所述每一相下桥臂电路中的所述第二功率开关管的发射极作为所述智能功率模块的对应相的低电压参考端。

根据本发明的一个实施例，所述第一功率开关管和所述第二功率开关管均包括：绝缘栅双极型晶体管。

根据本发明的一个实施例，所述智能功率模块的高电压输入端的电压为300V。

根据本发明的一个实施例，所述驱动芯片中每一相的高压区供电电源正端和高压区供电电源负端之间连接有滤波电容。

根据本发明第二方面的实施例，还提出了一种空调器，包括：如上述任一项实施例中所述的智能功率模块。

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的外部电路结构示意图；

图3示出了根据本发明的实施例的智能功率模块的结构示意图；

图4示出了根据本发明的实施例的自关断温度保护电路的内部结构示意图。

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受下面公开的具体实施例的限制。

图3示出了根据本发明的实施例的智能功率模块的结构示意图。

如图3所示，根据本发明的实施例的智能功率模块，包括：HVIC管4101(即上述的驱动芯片)。

其中，HVIC管4101的VCC端与智能功率模块4100的低压区供电电源正端VDD相连，VDD一般为15V；HVIC管4101的HIN1端作为智能功率模块4100的U相上桥臂输入端UHIN；HVIC管4101的HIN2端作为智能功率模块4100的V相上桥臂输入端VHIN；HVIC管4101的HIN3端作为智能功率模块4100的W相上桥臂输入端WHIN；HVIC管4101的LIN1端作为智能功率模块4100的U相下桥臂输入端ULIN；HVIC管4101的LIN2端作为智能功率模块4100的V相下桥臂输入端VLIN；HVIC管4101的LIN3端作为智能功率模块4100的W相下桥臂输入端WLIN；HVIC管4101的TRIP端与智能功率模块4100的温度保护端TR相连。

智能功率模块4100的U、V、W三相的六路输入接收0V或5V的输入信号。

HVIC管4101的GND端作为智能功率模块4100的低压区供电电源负端COM。

HVIC管4101的各管脚说明如下：

VCC为HVIC管4101的供电电源正端，GND为HVIC管4101的供电电源负端，VDD-GND电压一般为15V；VB1和VS1分别为U相高压区的电源的正极和负极，HO1为U相高压区的输出端；VB2和VS2分别为V相高压区的电源的正极和负极，HO2为V相高压区的输出端；VB3和VS3分别为U相高压区的电源的正极和负极，HO3为W相高压区的输出端；LO1、LO2、LO3分别为U相、V相、W相低压区的输出端。

HVIC管4101的内部电路结构如下所述：

VCC端与自关断温度保护电路4111的供电电源正端相连，GND端与自关断温度保护电路4111的供电电源负端相连，TRIP端与自关断温度保护电路4111的输入端相连，自关断温度保护电路4111的输出端作为HVIC管4101的使能端。

HVIC管4101的外部电路结构如下所述：

HVIC管4101的VB1端连接电容4131的一端，并作为智能功率模块4100的U相高压区供电电源正端UVB；HVIC管4101的HO1端与U相上桥臂IGBT管4121的栅极相连；HVIC管4101的VS1端与IGBT管4121的射极、FRD(Fast Recovery Diode，快恢复二极管)管4111的阳极、U相下桥臂IGBT管4124的集电极、FRD管4114的阴极、电容4131的另一端相连，并作为智能功率模块100的U相高压区供电电源负端UVS。

HVIC管4101的VB2端连接电容4132的一端，并作为智能功率模块4100的V相高压区供电电源正端VVB；HVIC管4101的HO2端与V相上桥臂IGBT管4122的栅极相连；HVIC管4101的VS2端与IGBT管4122的射极、FRD管4112的阳极、V相下桥臂IGBT管4125的集电极、FRD管4115的阴极、电容4132的另一端相连，并作为智能功率模块4100的V相高压区供电电源负端VVS。

HVIC管4101的VB3端连接电容4133的一端，并作为智能功率模块4100的W相高压区供电电源正端WVB；HVIC管4101的HO3端与W相上桥臂IGBT管4123的栅极相连；HVIC管4101的VS3端与IGBT管4123的射极、FRD管4113的阳极、W相下桥臂IGBT管4126的集电极、FRD管4116的阴极、电容4133的另一端相连，并作为智能功率模块4100的W相高压区供电电源负端WVS。

HVIC管4101的LO1端与IGBT管4124的栅极相连；HVIC管4101的LO2端与IGBT管4125的栅极相连；HVIC管4101的LO3端与IGBT管4126的栅极相连；IGBT管4124的射极与FRD管4114的阳极相连，并作为智能功率模块4100的U相低电压参考端UN；IGBT管4125的射极与FRD管4115的阳极相连，并作为智能功率模块4100的V相低电压参考端VN；IGBT管4126的射极与FRD管4116的阳极相连，并作为智能功率模块4100的W相低电压参考端WN。

IGBT管4121的集电极、FRD管4111的阴极、IGBT管4122的集电极、FRD管4112的阴极、IGBT管4123的集电极、FRD管4113的阴极相连，并作为智能功率模块4100的高电压输入端P，P一般接300V。

其中，电容4131、电容4132和电容4133主要起滤波作用。

HVIC管4101的作用是：

将输入端HIN1、HIN2、HIN3和LIN1、LIN2、LIN3的0或5V的逻辑输入信号分别传到输出端HO1、HO2、HO3和LO1、LO2、LO3，其中HO1是VS1或VS1+15V的逻辑输出信号、HO2是VS2或VS2+15V的逻辑输出信号、HO3是VS3或VS3+15V的逻辑输出信号，LO1、LO2、LO3是0或15V的逻辑输出信号；同一相的输入信号不能同时为高电平，即HIN1和LIN1、HIN2和LIN2、HIN3和LIN3不能同时为高电平。

自关断温度保护电路4111的作用是：

当TRIP接有阻值较小的电阻时(即智能功率模块4100的温度较低时)，输出端输出高电平，使HVIC管4101根据输入信号的情况正常动作；

当TRIP接有阻值较大的电阻(即智能功率模块4100的温度较高时)或者悬空(即温度保护端TR与TRIP之间断路)时，输出端输出低电平，使HVIC管4101处于非工作状态。

从以上分析可以看出本发明的有益效果：

当因为温度反复剧烈变化等原因导致TR与TRIP之间的连线断开时，智能功率模块停止工作，避免了智能功率模块的温度环境进一步恶化导致意外情况的发生；而当TR与TRIP之间正常连接时，智能功率模块的工作状态与既有智能功率模块一致。因此，可以在不改变现行智能功率模块使用电控环境的前提下，提高智能功率模块的安全性，避免因智能功率模块原因造成的意外情况的发生。

图4示出了根据本发明的实施例的自关断温度保护电路的内部结构示意图。

如图4所示，在自关断温度保护电路4111内部，供电电源正端与电阻4106的一端相连，电阻4106的另一端与自关断温度保护电路4111输入端TRIP、电压比较器4105的负输入端相连，电压比较器4105的正输入端与电压源4104的正端相连，电压源4104的负端为自关断温度保护电路4111的供电电源负端，电压比较器4105的输出端为HVIC管4101的使能端。

在自关断温度保护电路4111外部，TRIP端通过绑定线与智能功率模块4100的TR端相连，TR端接电阻5111的一端，电阻5111的另一端接供电电源负端，其中，电阻5111是一个正温度系数的热敏电阻。

以下说明本实施例的工作原理和各关键参数的取值：

电阻4106设计为10kΩ，电压源4104设计成5V，电阻5111设计为25℃时1kΩ，100℃时为5kΩ，则

在25℃时，电压比较器4105的负输入端的电压V-为：

即V-＝1.36V<V+，因此电压比较器4105输出高电平，HVIC管4101使能，正常工作；

在100℃时，电压比较器4105的负输入端的电压V-为：

即V->V+，因此电压比较器4105输出低电平，HVIC管4101停止工作。

而当TRIP和TR间的连线断路时，则电压比较器4105的负输入端的电压V-为：

即V-≈15V>V+，电压比较器4105同样输出低电平，使HVIC管4101停止工作，从而使智能功率模块4100停止工作，避免了智能功率模块4100工作在无温度监控下引起意外发生。

此外，假设IGBT管的正常工作结温为100℃，如果IGBT管的正常工作结温为125℃，则可将电阻5111设计为25℃时1kΩ，125℃时为5kΩ，如此类推。

以上结合附图详细说明了本发明的技术方案，本发明提出了一种新的智能功率模块，可以避免智能功率模块内部的温度保护端的连接线断路时继续工作而导致意外情况的发生，提高了智能功率模块的安全性。

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 (9)

1.一种智能功率模块，其特征在于，包括：

上桥臂信号输入端、下桥臂信号输入端和温度保护端；

驱动芯片，所述驱动芯片上设置有分别连接至所述上桥臂信号输入端和所述下桥臂信号输入端的接线端子，以及对应于所述温度保护端的第一端口，所述第一端口通过连接线与所述温度保护端相连；

热敏电阻，所述热敏电阻的第一端连接至所述温度保护端，所述热敏电阻的第二端连接至所述智能功率模块的低压区供电电源负端；

自关断温度保护电路，所述自关断温度保护电路的输入端连接至所述第一端口，所述自关断温度保护电路的输出端连接至所述驱动芯片的使能端；

其中，若所述热敏电阻感测到所述智能功率模块的温度达到预定值或所述连接线断开，所述自关断温度保护电路输出低电平使能信号；

所述热敏电阻为正温度系数热敏电阻；

所述自关断温度保护电路包括：

比较器，所述比较器的负输入端作为所述自关断温度保护电路的输入端，所述比较器的负输入端还通过电阻元件连接至所述智能功率模块的低压区供电电源正端；

电压源，所述电压源的正极连接至所述比较器的正输入端，所述电压源的负极连接至所述低压区供电电源负端，所述比较器的输出端作为所述自关断温度保护电路的输出端。

2.根据权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，还包括：

三相上桥臂电路，所述三相上桥臂电路中的每一相上桥臂电路的输入端连接至所述驱动芯片的三相高压区中对应相的信号输出端；

三相下桥臂电路，所述三相下桥臂电路中的每一相下桥臂电路的输入端连接至所述驱动芯片的三相低压区中对应相的信号输出端。

3.根据权利要求2所述的智能功率模块，其特征在于，所述每一相上桥臂电路包括：

第一功率开关管和第一二极管，所述第一二极管的阳极连接至所述第一功率开关管的发射极，所述第一二极管的阴极连接至所述第一功率开关管的集电极，所述第一功率开关管的集电极连接至所述智能功率模块的高电压输入端，所述第一功率开关管的基极作为所述每一相上桥臂电路的输入端。

4.根据权利要求3所述的智能功率模块，其特征在于，所述每一相下桥臂电路包括：

第二功率开关管和第二二极管，所述第二二极管的阳极连接至所述第二功率开关管的发射极，所述第二二极管的阴极连接至所述第二功率开关管的集电极，所述第二功率开关管的集电极连接至对应的上桥臂电路中的所述第一二极管的阳极，所述第二功率开关管的基极作为所述每一相下桥臂电路的输入端。

5.根据权利要求4所述的智能功率模块，其特征在于，所述每一相下桥臂电路中的所述第二功率开关管的发射极作为所述智能功率模块的对应相的低电压参考端。

6.根据权利要求4所述的智能功率模块，其特征在于，所述第一功率开关管和所述第二功率开关管均包括：绝缘栅双极型晶体管。

7.根据权利要求3至6中任一项所述的智能功率模块，其特征在于，所述智能功率模块的高电压输入端的电压为300V。

8.根据权利要求3至6中任一项所述的智能功率模块，其特征在于，所述驱动芯片中每一相的高压区供电电源正端和高压区供电电源负端之间连接有滤波电容。

9.一种空调器，其特征在于，包括：如权利要求1至8中任一项所述的智能功率模块。