CN108063436B - 智能功率模块、空调器控制器及空调器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种智能功率模块、空调器控制器及空调器，通过在内部增加检测电路、上桥过流控制电路和下桥过流控制电路，并将采样电阻改为内置，使得当智能功率模块驱动负载发生过流时，能对过流时采样电阻上的电压信号进行延时反馈，以此起到对电压噪声的过滤，提高了过流检测的准确性，且在过流时通过上桥过流控制电路和下桥过流控制电路分别控制其三相上桥臂IGBT管都截止和三相下桥臂IGBT管分别导通，能对由于过流时IPM模块驱动的负载产生的感应电荷进行有效安全的泄放，因而避免了残余电荷对IGBT管产生冲击，提高了IPM模块可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及智能功率模块技术领域，尤其涉及一种智能功率模块、空调器控制器及空调器。
背景技术
智能功率模块，即IPM(Intelligent Power Module，智能功率模块)，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，并内部设置有过电压、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。智能功率模块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。
现有的IPM模块100的电路结构如图1所示，包括HVIC管(High VoltageIntegrated Circuit，高压集成电路芯片)111、三相上桥臂IGBT管(Insulated GateBipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)111、112、113，以及三相下桥臂IGBT管114、115、116，其中HVIC管111内部包括分别于三相上桥臂IGBT管连接的UH驱动电路101、VH驱动电路102、WH驱动电路103，以及分别于三相下桥臂IGBT连接的UL驱动电路104、VL驱动电路105和WL驱动电路106，这六个驱动电路在IPM模块100输入的六路控制信号的控制下分别驱动对应的六个IGBT管进行开关状态切换。其IPM模块100实际工作时的推荐电路如图2所示，其IPM模块100的通过输入的六路控制信号与MCU200连接，IPM模块100的U、V、W三相输出端连接电机139的三相绕组，电容135、136、137分别为连接三相输出端子和对应相高压电源正端的自举电容，通过MCU200输出的六路控制信号控制IPM模块100的六个IGBT管的开关状态进行切换，输出对应的三相驱动信号到电机139，从而驱动电机139的运行。进一步的，UN、VN、WN相连并接电阻138的一端，电阻138用来检测IPM模块100驱动电机139的输出电流值并输入到MCU的Pin7脚，在实际应用中，特别是在变频空调应用中，根据环境变化，MCU检测所述电阻138的电压变化，控制所述智能功率模块100的工作状态，当所述电阻138的电压值大于某一特定值，即流过所述智能功率模块100的电流大于某一特定值时，证明所述智能功率模块100存在过负荷工作异常发热的风险，所述MCU管200的PIN1～PIN6端同时输出低电平，控制所述智能功率模块100停止动作。通过上述机制，只要所述某一特定电压值设置得足够小，就可以保证所述智能功率模块100不被破坏，但带来的弊端也比较明显：
首先，智能功率模块的工作环境恶劣，电压噪声非常大，极易产生误触发，导致实际电流并未过流而停机；
其次，当真正的过流发生时，因为所述智能功率模块100的负载为感性原件，过流必然产生残余电荷，所述智能功率模块100的忽然停止工作导致残余电荷没有放电回路而产生集聚，当所述智能功率模块100再次上电后，负载端残余电荷对IGBT管产生冲击，有可能对IGBT管造成微损伤，严重时会导致所述智能功率模块100烧毁，使系统瘫痪，甚至引发火灾等安全事故。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种智能功率模块、空调器控制器及空调器，目的在于解决智能功率模块在工作过程中过流检测由于干扰易误触发以及负载产生的感应电荷对智能功率模块产生冲击影响其模块工作可靠性问题。
为实现上述目的，本发明提供的一种智能功率模块，包括三相上桥臂IGBT管和三相下桥臂IGBT管，以及与所述三相上桥臂IGBT管和三相下桥臂IGBT管中每一个IGBT管对应的驱动电路和桥臂控制信号输入端，其特征在于，所述智能功率模块还包括过流检测电路、上桥过流控制电路和下桥过流控制电路；
所述过流检测电路的第一输出端连接上桥过流控制电路的控制端，所述过流检测电路的第二输出端连接所述下桥过流控制电路的控制端，所述上桥过流控制电路的三个输出端分别连接所述三相上桥臂IGBT管对应的驱动电路，所述下桥过流控制电路的三个输出端分别连接所述三相下桥臂IGBT管对应的驱动电路，所述上桥过流控制电路和所述下桥过流控制电路的三个输入端分别连接对应的桥臂控制信号输入端；
所述过流检测电路用于检测所述智能功率模块驱动负载的电流值，当所述电流值每一次大于预设电流阈值时，所述过流检测电路输出保护信号到所述上桥过流控制电路和所述下桥过流控制电路，以断开对应IGBT管所对应的桥臂控制信号输入端与驱动电路的连接，并控制所述三相上桥臂IGBT管截止，以及在每一次所述电流值大于所述预设电流阈值时，控制所述三相下桥臂IGBT管中的每一个IGBT管分别导通，以对所述智能功率模块驱动的负载的感应电荷进行泄放。
在一种可能的设计中，所述过流检测电路包括比较模块、延时模块和输出模块；
所述比较模块输入端为过流检测电路输入端，所述比较模块输出端连接延时模块输入端，所述延时模块输出端连接所述输出模块，所述输出模块的两个输出端为所述过流检测电路输出端；
所述比较模块输入端用于检测输入的所述智能功率模块驱动负载电流值的电压信号，并与预设电压值进行比较，当超过所述预设电压值时输出过流信号到所述延时模块，并经所述延时模块延时后输入到所述输出模块，经所述输出模块进行电平转换输出两路保护信号至所述上桥过流控制电路和所述下桥过流控制电路。
在一种可能的设计中，所述比较模块包括比较器、电压源；
所述电压源的一端接地，另一端连接所述比较模块的同相输入端，所述比较模块的反向输入端为所述比较模块输入端。
在一种可能的设计中，所述延时模块包括延时电路、第一非门和第二非门；
所述第一非门输入端为所述延时模块输入端，所述第一非门输出端连接所述延时电路输入端；
所述延时电路输出端连接所述第二非门输入端，所述第二非门输出端为所述延时模块输出端。
在一种可能的设计中，所述输出模块包括第五非门；
所述输出模块的第一输出端与所述输出模块输入端共接于所述第五非门的输入端，所述第五非门输出端为所述输出模块的第二输出端。
在一种可能的设计中，所述下桥过流控制电路包括第六非门、第七非门、选通电路、第一模拟开关、第二模拟开关、第三模拟开关、第一或门、第二或门和第三或门；
所述第六非门的输入端为所述下桥过流控制电路控制端，所述第六非门的输出端连接所述第七非门的输入端，所述第六非门的输出端同时连接所述选通电路的时钟输入端；
所述第一模拟开关、第二模拟开关和第三模拟开关的一端组成所述下桥过流控制电路的三个输入端所述第一模拟开关的另一端连接所述第一或门的一输入端，所述第二模拟开关的另一端连接所述第二或门的一输入端，所述第三模拟开关的另一端连接所述第三或门的一输入端；
所述第七非门的输出端同时分别与所述第一模拟开关、所述第二模拟开关、所述第三模拟开关控制端和所述选通电路的使能端连接，所述选通电路的三个输出端分别连接所述第一或门、第二或门和第三或门的另一输入端；
所述第一或门、第二或门和第三或门的输出端组成所述下桥过流控制电路的三个输出端。
在一种可能的设计中，所述选通电路包括第四模拟开关、第五模拟开关、第六模拟开关、第八非门、第一D触发器、第二D触发器和第三D触发器；
所述第一D触发器、第二D触发器和第三D触发器的时钟输入端为所述选通电路的时钟输入端，所述第一D触发器的输出端连接所述第四模拟开关的一端，所述第二D触发器的输出端连接所述第五模拟开关的一端，所述第三D触发器的输出端连接所述第六模拟开关的一端，所述第一D触发器输出端同时连接所述第二D触发器的数据端，所述第二D触发器输出端同时连接所述第三D触发器的数据端，所述第三D触发器输出端同时连接所述第一D触发器的数据端；
所述第四模拟开关、第五模拟开关和第六模拟开关的另一端组成所述选通电路的三个输出端；
所述第八非门的输入端为所述选通电路的使能端，所述第八非门的输出端分别连接所述第四模拟开关、第五模拟开关和第六模拟开关的控制端。
在一种可能的设计中，所述上桥过流控制电路包括第九非门、第一与门、第二与门和第三与门；
所述第九非门的输入端为所述上桥过流控制电路控制端，所述第上非门的输出端分别与所述第一与门、第二与门和第三与门的一输入端共接，所述第一与门、第二与门和第三与门的另一输入端组成所述上桥过流控制电路的三个输入端，所述第一与门、第二与门和第三与门的输出端组成所述上桥过流控制电路的三个输出端。
为实现上述目的，本发明还提供一种空调器控制器，所述空调器包括所述的智能功率模块。
为实现上述目的，本发明还提供一种空调器，所述空调器包括所述的空调器控制器。
本发明提供的智能功率模块，通过在内部增加检测电路、上桥过流控制电路和下桥过流控制电路，并将采样电阻改为内置，使得当智能功率模块驱动负载发生过流时，能对过流时采样电阻上的电压信号进行延时反馈，以此起到对电压噪声的过滤，提高了过流检测的准确性，且在过流时通过上桥过流控制电路和下桥过流控制电路分别控制其三相上桥臂IGBT管都截止和三相下桥臂IGBT管分时导通，能对由于过流时IPM模块驱动的负载产生的感应电荷进行有效安全的泄放，因而避免了残余电荷对IGBT管产生冲击，提高了IPM模块可靠性。
附图说明
图1为现有技术中智能功率模块的电路结构图；
图2为现有技术中智能功率模块实际工作的电路图；
图3为本发明智能功率模块的电路结构图；
图4为图3中输出调整电路的具体电路结构图；
图5为图4中A区电路具体放大图；
图6为图4中延时电路的具体电路结构图；
图7为图4中选通电路的具体电路结构图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
参照图3，图3为本发明第一实施例提供的IPM模块4100结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。
在本实施例中，该IPM模块4100包括三相上桥臂IGBT管和三相下桥臂IGBT管，以及与三相上桥臂IGBT管和三相下桥臂IGBT管中每一个IGBT管对应的驱动电路和桥臂控制信号输入端，该IPM模块4100还包括过流检测电路4302、上桥过流控制电路4304和下桥过流控制电路4303；
过流检测电路4302的第一输出端连接下桥过流控制电路4303的控制端，过流检测电路4302的第二输出端连接上桥过流控制电路4304的控制端，上桥过流控制电路4304的三个输出端分别连接三相上桥臂IGBT管对应的驱动电路，下桥过流控制电路4303的三个输出端分别连接三相下桥臂IGBT管对应的驱动电路，上桥过流控制电路4304和下桥过流控制电路4303的三个输入端分别连接对应的桥臂控制信号输入端；
过流检测电路4302用于检测智能功率模块4100驱动负载的电流值，当电流值每一次大于预设电流阈值时，过流检测电路4302输出保护信号到上桥过流控制电路4304和下桥过流控制电路4303，以断开对应IGBT管所对应的桥臂控制信号输入端与驱动电路的连接，并控制三相上桥臂IGBT管截止，，以及在每一次所述电流值大于所述预设电流阈值时，控制三相下桥臂IGBT管中的每一个IGBT管分别导通，以对智能功率模块4100驱动的负载的感应电荷进行泄放。
如图2所述，智能功率模块4100包括功率驱动电路4400和用于检测检测智能功率模块4100驱动负载的电流值大小的采样电阻4301，这里采样电阻4301被集成在智能功率模块4100中，当然此采样电阻4301也可以接在智能功率模块4100上，其中功率驱动电路4400的电源正端VCC端作为智能功率模块4100的低压区供电电源正端VDD，VDD一般为15V；
功率驱动电路4400的第一输入端HIN1作为智能功率模块4100的U相上桥臂输入端UHIN，功率驱动电路4400的第二输入端HIN2作为智能功率模块4100的V相上桥臂输入端VHIN，功率驱动电路4400的第三输入端HIN3作为智能功率模块4100的W相上桥臂输入端WHIN，功率驱动电路4400的第四输入端LIN1作为智能功率模块4100的U相下桥臂输入端ULIN，功率驱动电路4400的第五输入端LIN2作为智能功率模块4100的V相下桥臂输入端VLIN，功率驱动电路4400的第六输入端LIN3作为智能功率模块4100的W相下桥臂输入端WLIN。
功率驱动电路4400的第七输出端ITRIP与功率驱动电路4400的U相低电压参考端UN、功率驱动电路4400的V相低电压参考端VN、功率驱动电路4400的W相低电压参考端WN、采样电阻4301的一端相连，并作为智能功率模块4100的异常反馈端ISO。
功率驱动电路4400的电源负端GND与采样电阻4301的另一端相连，并作为智能功率模块4100的最低电压参考点N，功率驱动电路4400的U相高压区供电电源正端VB1与电容4133的一端相连，并作为智能功率模块4100的U相高压区供电电源正端UVB，功率驱动电路4400的U相高压区供电电源负端VS1与电容4133的另一端相连，并作为智能功率模块4100的U相高压区供电电源负端UVS；功率驱动电路4400的V相高压区供电电源正端VB2与电容4132的一端相连，并作为智能功率模块4100的V相高压区供电电源正端VVB，功率驱动电路4400的V相高压区供电电源负端VS2与电容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；功率驱动电路4400的W相高压区供电电源正端VB3与电容4131的一端相连，并作为智能功率模块4100的W相高压区供电电源正端WVB，功率驱动电路4400的W相高压区供电电源负端VS3与电容4131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，功率驱动电路4400的最高电压参考端P作为智能功率模块4100的最高电压参考点P。
在功率驱动电路4400内部，电压信号ITRIP接过流检测电路4302的输入端；过流检测电路4302的第一输出端接下桥过流控制电路4303的控制端，过流检测电路4302的第二输出端接上桥过流控制电路4304的控制端。
功率驱动电路4400的LIN1端接下桥过流控制电路4303的第一输入端，
LIN2端接下桥过流控制电路4303的第二输入端，LIN3端接下桥过流控制电路4303的第三输入端，HIN1端接上桥过流控制电路4304的第一输入端，HIN2端接上桥过流控制电路4304的第二输入端，HIN3端接上桥过流控制电路43034的第三输入端。
具体的，过流检测电路4302、上桥过流控制电路4304和下桥过流控制电路4303的基于上述方案的一种具体电路如图4所示，进一步的上述部分的放大电路图可参见图5，其具体电路如下：
过流检测电路4302包括比较模块10、延时模块20和输出模块30；
比较模块10输入端为过流检测电路4302输入端，比较模块10输出端连接延时模块20输入端，延时模块20输出端连接输出模块30，输出模块30的两个输出端为过流检测电路4302输出端；
比较模块10输入端用于检测输入的智能功率模块驱动负载电流值的电压信号ITRIP，并与预设电压值进行比较，当超过预设电压值时输出过流信号到延时模块20，并经延时模块20延时后输入到输出模块30，经输出模块30进行电平转换输出两路保护信号至上桥过流控制电路4304和下桥过流控制电路4303。
进一步的，作为比较模块10的一个具体应用电路，比较模块10包括比较器4312、电压源4322；电压源4322的一端接地，另一端连接比较模块10的同相输入端，比较模块10的方向输入端为比较模块10输入端。
延时模块20包括延时电路4342、第一非门4332和第二非门4352；
第一非门4332输入端为延时模块20输入端，第一非门4332输出端连接延时电路4342输入端；
延时电路4342输出端连接第二非门4352输入端，第二非门4352输出端为延时模块20输出端。
进一步的，作为延时电路4342的一个具体应用电路，如图5所示，延时电路4342包括第三非门43421、第四非门43422和第一电容43423，这里延时电路主要通过第一电容4345充电实现延时功能；
第三非门43421的输入端为延时电路4342的输入端，第三非门43421输出端和第一电容43422一端共接于第四非门43422输入端，第四非门43422输出端为延时电路4342输出端。
输出模块30包括第五非门4362；
输出模块30的第一输出端OUT1与输出模块30输入端共接于第五非门4362的输入端，第五非门4362输出端为输出模块30的第二输出端OUT2。
进一步的，作为下桥过流控制电路4303的一个具体应用电路，下桥过流控制电路4303包括第六非门4313、第七非门4353、选通电路4363、第一模拟开关4373、第二模拟开关4383、第三模拟开关4393、第一或门4343、第二或门4333和第三或门4323；
第六非门4313的输入端为下桥过流控制电路4303控制端，第六非门4313的输出端连接第七非门4353的输入端，第六非门4313的输出端同时连接选通电路4363的信号输入端CK；
第一模拟开关4373、第二模拟开关4383和第三模拟开关4393的一端组成下桥过流控制电路4303的三个输入端，第一模拟开关4373的另一端连接第一或门4343的一输入端，第二模拟开关4383的另一端连接第二或门4333的一输入端，第三模拟开关4393的另一端连接第三或门4323的一输入端；
第七非门4353的输出端同时分别与第一模拟开关4373、第二模拟开关4383、第三模拟开关4393控制端和选通电路4363的使能端连接，选通电路4363的三个输出端分别连接第一或门4343、第二或门4333和第三或门4323的另一输入端；
第一或门4343、第二或门4333和第三或门4323的输出端组成下桥过流控制电路4303的三个输出端。
可选的，选通电路4363的一种具体电路如图7所示，选通电路4363包括第四模拟开关43634、第五模拟开关43635、第六模拟开关43636、第八非门43637、第一D触发器43631、第二D触发器43632和第三D触发器43633；
第一D触发器43631、第二D触发器43632和第三D触发器43633的时钟输入端为选通电路4363的时钟输入端CK，第一D触发器43631的输出端连接第四模拟开关43634的一端，第二D触发器43632的输出端连接第五模拟开关43635的一端，第三D触发器43633的输出端连接第六模拟开关43636的一端，第一D触发器43631输出端同时连接第二D触发器43632的数据端，第二D触发器43632输出端同时连接第三D触发器43633的数据端，第三D触发器43633输出端同时连接第一D触发器43631的数据端；
第四模拟开关43634、第五模拟开关43635和第六模拟开关43636的另一端组成选通电路4363的三个输出端；
第八非门43637的输入端为选通电路4363的使能端第八非门43637的输出端分别连接第四模拟开关43634、第五模拟开关43635和第六模拟开关43636的控制端。
进一步的，作为上桥过流控制电路4304的一个具体应用电路，上桥过流控制电路4304包括第七非门4314、第一与门4344、第二与门4334和第三与门4324；
第七非门4314的输入端为上桥过流控制电路4304控制端，第上非门的输出端分别与第一与门4344、第二与门4334和第三与门4324的一输入端共接，第一与门4344、第二与门4334和第三与门4324的另一输入端组成上桥过流控制电路4304的三个输入端，第一与门4344、第二与门4334和第三与门4324的输出端组成上桥过流控制电路4304的三个输出端。
值得说明的是，上述延时电路4342的电路结构仅为一种具体的应用电路，还可以是其他的应用电路如通过计数器延时等电路实现。
在图4所示的具体电路中，功率驱动电路4400还包括三个三相上桥臂IGBT管4111、4112、4113以及与这三个三相上桥臂IGBT管分别连接的UH驱动电路4101、VH驱动电路4102和WH驱动电路4103，且功率驱动电路4400还包括三个三相下桥臂IGBT管4114、4115、4116以及与这三个三相下桥臂IGBT管分别连接的UL驱动电路4104、VL驱动电路4105和WL驱动电路4106。
具体的，上桥过流控制电路4304的第一输出端与UH驱动电路4101的输入端相连，上桥过流控制电路4304的第二输出端与VH驱动电路4102的输入端相连，上桥过流控制电路4304的第三输出端与WH驱动电路4103的输入端相连，下桥过流控制电路4303的第一输出端与UL驱动电路4104的输入端相连，下桥过流控制电路4303的第二输出端与VL驱动电路4105的输入端相连，下桥过流控制电路4303的第三输出端与WL驱动电路4106的输入端相连。
在此，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。
功率驱动电路4400的GND端作为智能功率模块4100的低压区供电电源负端COM，并与UH驱动电路4101、VH驱动电路4102、WH驱动电路4103、UL驱动电路4104、VL驱动电路4105、WL驱动电路4106的低压区供电电源负端相连。
功率驱动电路4400的VB1端在功率驱动电路4400内部与UH驱动电路4101的高压区供电电源正端相连，在功率驱动电路4400外部连接电容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。
功率驱动电路4400的HO1端在功率驱动电路4400内部与UH驱动电路4101的输出端相连，在功率驱动电路4400外部与U相上桥臂IGBT管4121的栅极相连。
功率驱动电路4400的VS1端在功率驱动电路4400内部与UH驱动电路4101的高压区供电电源负端相连，在功率驱动电路4400外部与IGBT管4121的射极、FRD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4100的U相高压区供电电源负端UVS。
功率驱动电路4400的VB2端在功率驱动电路4400内部与VH驱动电路4102的高压区供电电源正端相连，在功率驱动电路4400外部连接电容4132的一端，作为智能功率模块4100的U相高压区供电电源正端VVB。
功率驱动电路4400的HO2端在功率驱动电路4400内部与VH驱动电路4102的输出端相连，在功率驱动电路4400外部与V相上桥臂IGBT管4122的栅极相连。
功率驱动电路4400的VS2端在功率驱动电路4400内部与VH驱动电路4102的高压区供电电源负端相连，在功率驱动电路4400外部与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。
功率驱动电路4400的VB3端在功率驱动电路4400内部与WH驱动电路4103的高压区供电电源正端相连，在功率驱动电路4400外部连接电容4133的一端，作为智能功率模块4100的W相高压区供电电源正端WVB。
功率驱动电路4400的HO3端在功率驱动电路4400内部与WH驱动电路4103的输出端相连，在功率驱动电路4400外部与W相上桥臂IGBT管4123的栅极相连。
功率驱动电路4400的VS3端在功率驱动电路4400内部与WH驱动电路4103的高压区供电电源负端相连，在功率驱动电路4400外部与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。
功率驱动电路4400的LO1端与IGBT管4124的栅极相连，功率驱动电路4400的LO2端与IGBT管4125的栅极相连，功率驱动电路4400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，UN、VN、WN相连，并同时共接智能功率模块4100的ISO端，且供电点作为功率驱动电路4400的电压信号ITRIP端，在功率驱动电路4400内部，电压信号ITRIP端接电流检测电路4302的输入端。
上述功率驱动电路4400的作用是：
VDD为功率驱动电路4400的供电电源正端，GND为功率驱动电路4400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。
基于上述图4和图5电路的工作原理如下：
当智能功率模块4100驱动负载正常工作时，其U相低电压参考端UN、V相低电压参考端VN和W相低电压参考端WN输出电流正常，此时使得输出电流在采样电阻4301上的电压正常，即电压信号ITRIP的电压正常，因此ITRIP的电压小于电压源4322的电压，电压比较器4312的输出端为高电平，此高电平经过第一非门4332、延时电路4342和第二非门4352后经第一个第一输出端OUT1输出第一路输出高电平信号，并经第五非门4362的第二输出端OUT2输出第二路低电平信号，这时：
电流检测电路4302的第一输出端为高电平、电流检测电路4302的第二输出端为低电平；则第六非门4313输出低电平经第七非门4353变为高电平输出到选通电路4363的使能端使选通电路4363的使能端置高不工作，此时选通电路4363的三个输出端输Q1、Q2、Q3都输出低电平，同时，第六非门4313输出低电平再经第七非门4353变为高电平输出到第一模拟开关4373、第二模拟开关4383、第三模拟开关4393的控制端，使得这三个模拟开关接通，下桥过流控制电路4303的三个输入端信号经分别经上述三个模拟开关输入到下桥过流控制电路4303的三个或门4343、4333和4323的一输入端，而由于选通电路4363不工作，其三个输出端输出低电平到上述三个或门4343、4333和4323另一输入端，第九非门4314输出高电平到上桥过流控制电路4304的三个与门，由或门和与门的逻辑关系易知，
此时，使下桥过流控制电路4303的第一输出端的电平与下桥过流控制电路4303的第一输入端的电平一致，使下桥过流控制电路4303的第二输出端的电平与下桥过流控制电路4303的第二输入端的电平一致，使下桥过流控制电路4303的第三输出端的电平与下桥过流控制电路4303的第三输入端的电平一致；使上桥过流控制电路4304的第一输出端的电平与上桥过流控制电路4304的第一输入端的电平一致，上桥过流控制电路4304的第二输出端的电平与上桥过流控制电路4304的第二输入端的电平一致，上桥过流控制电路4304的第三输出端的电平与上桥过流控制电路4304的第三输入端的电平一致。
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；
需要说明的是，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。
当智能功率模块4100驱动负载的电流值过大时，则其U相低电压参考端UN、V相低电压参考端VN和W相低电压参考端WN输出电流对应增大，此时使得输出电流在采样电阻4301上的电压升高，即电压信号ITRIP的电压升高，使得ITRIP的电压大于电压源4322的电压，电压比较器4312的输出端为低电平，这时：
经过延时电路4342开始工作，电压比较器4312的输出的低电平信号经第一非门4332、第三非门43421后开始对第一电容43423放电，使得第一电容43423上的电压逐渐下降，当其电压下降到第四非门43422输入端的触发电压时，第四非门43422输出端输出高电平信号，并经第二非门4352后经第一个第一输出端OUT1输出第一路输出低电平信号，并经第五非门4362的第二输出端OUT2输出第二路高电平信号，这时：
在电流检测电路4302的第一输出端为低电平、电流检测电路4302的第二输出端为高电平；则第六非门4313输出高电平经第七非门4353变为低电平输出到选通电路4363的使能端使选通电路4363的使能端有效开始工作，同时第六非门4313输出高电平到选通电路4363的时钟输入端CK，同时，第六非门4313输出高电平再经第七非门4353变为低电平输出到第一模拟开关4373、第二模拟开关4383、第三模拟开关4393的控制端，使得这三个模拟开关断开，下桥过流控制电路4303的三个输入端信号与下桥过流控制电路4303的三个或门4343、4333和4323的一输入端都断开，此时选通电路4363具体工作原理如下：
由于选通电路4363的使能端低电平，此时其内部的第八非门43637输出高电平，使得第四模拟开关43634、第五模拟开关43635和第六模拟开关43636的控制端有效，第四模拟开关43634、第五模拟开关43635和第六模拟开关43636都接通，有D出发寄存器的工作原理可知，此时第一D触发器43631、第二D触发器43632和第三D触发器43633的电路连接方式组成移位寄存器，在每一个时钟输入端CK输入有效的上升沿信号时，这三个D触发器的输出端依次输出有效的高电平，即其输出信号与每一次时钟输入端CK的信号的上升沿到来有关，具体其选通电路4363的逻辑真值表如下：
即：
当信号输入端CK的第一个上升沿到来时，第一输出端Q1输出一个高电平；在这期间，另外两个输出端为低电平；当CK的第二个上升沿到来时，第一输出端Q2输出一个高电平；在这期间，另外两个输出端为低电平；当CK的第三个上升沿到来时，第一输出端Q3输出一个高电平；在这期间，另外两个输出端为低电平；如此往复，直到选通电路4363的使能端无效。
由于信号输入端CK与过流检测电路4302检测输出的过流信号相关，因此当每一次产生上述过流时，其信号输入端CK变为上升沿，则对应的输出端的输出高电平。
第七非门4314输出低电平；则非门4313输出高电平到下桥过流控制电路4303的三个或门，非门4314输出低电平到上桥过流控制电路4304的三个与门，由或门和与门的逻辑关系易知，
从而，使下桥过流控制电路4303的第一输入端、第二输出端、第三输入端在每次发生过流时按此过流次数其对应输出端口输出高电平，此时其输出端为低电平；使IGBT管4124、IGBT管4125、IGBT管4126按照过流次数交替导通，因此下桥过流控制电路4303的第一输出端、第二输出端、第三输出端分别对N形成放电回路，此时对智能功率模块4100驱动的负载的感应电荷进行依次泄放。
而无论上桥过流控制电路4304的第一输入端、第二输入端、第三输入端为何种电平，上桥过流控制电路4304的第一输出端、第二输出端、第三输出端都为低电平；因此上桥过流控制电路4304的第一输出端、第二输出端、第三输出端的低电平使HO1、HO2、HO3输出低电平，从而使IGBT管4121、IGBT管4122、IGBT管4123截止。
具体的，以一种15A的智能功率模块为例，采样电阻4301可以设计为33mΩ，电压源4322的电压可以设计为0.5V，则：
当采样电阻4301流过的电流小于15A时，ITRIP的电压小于电压源4322的电压；
当采样电阻4301流过的电流大于15A时，ITRIP的电压大于电压源4322的电压。
通过上述分析可知，当智能功率模块4100驱动负载发生过流时，其过流检测电路4302会经内部延时电路4342进行延时才输出保护的控制信号，且在发生保护时控制其三相上桥臂IGBT管都截止和三相下桥臂IGBT管都导通，因此通过上述对采样电阻4301内置并对过流时电压信号ITRIP反应的滞后，有利于噪声的过滤，减少不必要停机的发生，且当过流发生时，电流检测电路4302使上下桥的输入信号都不能传送的功率驱动电路4400的输出端，而使功率驱动电路4400的下桥三个输出端为根据各次过流分别输出高电平从而使下桥三个IGBT管在各次过流后分别导通，使功率驱动电路4400的上桥三个输出端为低电平从而使下桥三个IGBT管截止，下桥三个IGBT管分别导通形成了放电回路，使感性负载的残余电荷得到泄放，避免了再次上电时残余电荷对智能功率模块4100造成的冲击，极大减小了智能功率模块受到微损伤的可能性，并且，三个IGBT管是各次过流后分别导通，使负载端的电荷分别从三个IGBT管慢慢泄放，使每个放电的IGBT管平均承受电压冲击而不会使冲击过度集中，提高了智能功率模块的长期可靠性，降低了智能功率模块在长期工作时烧毁的风险，对于提高变频系统的安全性和健壮性，促进变频家电的推广应用有重要作用。
本发明实施例的IPM模块4100通过在内部增加检测电路4302、上桥过流控制电路4304和下桥过流控制电路4303，并将采样电阻4301改为内置，使得当智能功率模块4100驱动负载发生过流时，能对过流时采样电阻4301上的电压信号进行延时反馈，以此起到对电压噪声的过滤，提高了过流检测的准确性，且在过流时通过上桥过流控制电路4304和下桥过流控制电路4303分别控制其三相上桥臂IGBT管都截止和三相下桥臂IGBT管在各次过流后分别导通，能对由于过流时IPM模块4100驱动的负载产生的感应电荷进行有效安全的泄放，因而避免了残余电荷对IGBT管产生冲击，提高了IPM模块4100可靠性。
本发明还提供一种空调器控制器，其空调器控制器用于实现对空调器相关负责的控制，具体的，对变频空调器而言，空调器控制器可分为室内机部分和室外机部分的控制器，其室内机控制器实现对室内机风机电机、导风条等负载运行的驱动，室外机控制实现对压缩机、室外风机电机、四通阀等负载运行的驱动，其中室外控制器中包括上述的IPM模块，用于对压缩机运行的驱动，如果室外风机电机为直流风机，其室外控制器内部还包括用于驱动直流风机的上述IPM模块，同意如果室内风机电机为直流风机，其室内控制器内部还包括用于驱动直流风机的上述IPM模块。其IPM模块具体的实施方式及效果可参考上述实施例，在此不再赘述。
本发明还提供一种空调器，其空调器中包括上述的空调器控制器。
在本说明书的描述中，参考术语“第一实施例”、“第二实施例”、“示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体方法、装置或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、方法、装置或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (9)
1.一种智能功率模块，包括三相上桥臂IGBT管和三相下桥臂IGBT管，以及与所述三相上桥臂IGBT管和三相下桥臂IGBT管中每一个IGBT管对应的驱动电路和桥臂控制信号输入端，其特征在于，所述智能功率模块还包括过流检测电路、上桥过流控制电路和下桥过流控制电路；
所述过流检测电路的第一输出端连接上桥过流控制电路的控制端，所述过流检测电路的第二输出端连接所述下桥过流控制电路的控制端，所述上桥过流控制电路的三个输出端分别连接所述三相上桥臂IGBT管对应的驱动电路，所述下桥过流控制电路的三个输出端分别连接所述三相下桥臂IGBT管对应的驱动电路，所述上桥过流控制电路和所述下桥过流控制电路的三个输入端分别连接对应的桥臂控制信号输入端；
所述过流检测电路用于检测所述智能功率模块驱动负载的电流值，当所述电流值每一次大于预设电流阈值时，所述过流检测电路输出保护信号到所述上桥过流控制电路和所述下桥过流控制电路，以断开对应IGBT管所对应的桥臂控制信号输入端与驱动电路的连接，并控制所述三相上桥臂IGBT管截止，以及在每一次所述电流值大于所述预设电流阈值时，控制所述三相下桥臂IGBT管中的每一个IGBT管分别导通，以对所述智能功率模块驱动的负载的感应电荷进行泄放；
所述下桥过流控制电路包括第六非门、第七非门、选通电路、第一模拟开关、第二模拟开关、第三模拟开关、第一或门、第二或门和第三或门；
所述第六非门的输入端为所述下桥过流控制电路控制端，所述第六非门的输出端连接所述第七非门的输入端，所述第六非门的输出端同时连接所述选通电路的时钟输入端；
所述第一模拟开关、第二模拟开关和第三模拟开关的一端组成所述下桥过流控制电路的三个输入端，所述第一模拟开关的另一端连接所述第一或门的一输入端，所述第二模拟开关的另一端连接所述第二或门的一输入端，所述第三模拟开关的另一端连接所述第三或门的一输入端；
所述第七非门的输出端同时分别与所述第一模拟开关、所述第二模拟开关、所述第三模拟开关控制端和所述选通电路的使能端连接，所述选通电路的三个输出端分别连接所述第一或门、第二或门和第三或门的另一输入端；
所述第一或门、第二或门和第三或门的输出端组成所述下桥过流控制电路的三个输出端。
2.如权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述过流检测电路包括比较模块、延时模块和输出模块；
所述比较模块输入端为过流检测电路输入端，所述比较模块输出端连接延时模块输入端，所述延时模块输出端连接所述输出模块，所述输出模块的两个输出端为所述过流检测电路输出端；
所述比较模块输入端用于检测输入的所述智能功率模块驱动负载电流值的电压信号，并与预设电压值进行比较，当超过所述预设电压值时输出过流信号到所述延时模块，并经所述延时模块延时后输入到所述输出模块，经所述输出模块进行电平转换输出两路保护信号至所述上桥过流控制电路和所述下桥过流控制电路。
3.如权利要求2所述的智能功率模块，其特征在于，所述比较模块包括比较器、电压源；
所述电压源的一端接地，另一端连接所述比较模块的同相输入端，所述比较模块的反向输入端为所述比较模块输入端。
4.如权利要求2所述的智能功率模块，其特征在于，所述延时模块包括延时电路、第一非门和第二非门；
所述第一非门输入端为所述延时模块输入端，所述第一非门输出端连接所述延时电路输入端；
所述延时电路输出端连接所述第二非门输入端，所述第二非门输出端为所述延时模块输出端。
5.如权利要求2所述的智能功率模块，其特征在于，所述输出模块包括第五非门；
所述输出模块的第一输出端与所述输出模块输入端共接于所述第五非门的输入端，所述第五非门输出端为所述输出模块的第二输出端。
6.如权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述选通电路包括第四模拟开关、第五模拟开关、第六模拟开关、第八非门、第一D触发器、第二D触发器和第三D触发器；
所述第一D触发器、第二D触发器和第三D触发器的时钟输入端为所述选通电路的时钟输入端，所述第一D触发器的输出端连接所述第四模拟开关的一端，所述第二D触发器的输出端连接所述第五模拟开关的一端，所述第三D触发器的输出端连接所述第六模拟开关的一端，所述第一D触发器输出端同时连接所述第二D触发器的数据端，所述第二D触发器输出端同时连接所述第三D触发器的数据端，所述第三D触发器输出端同时连接所述第一D触发器的数据端；
所述第四模拟开关、第五模拟开关和第六模拟开关的另一端组成所述选通电路的三个输出端；
所述第八非门的输入端为所述选通电路的使能端，所述第八非门的输出端分别连接所述第四模拟开关、第五模拟开关和第六模拟开关的控制端。
7.如权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述上桥过流控制电路包括第九非门、第一与门、第二与门和第三与门；
所述第九非门的输入端为所述上桥过流控制电路控制端，所述第九非门的输出端分别与所述第一与门、第二与门和第三与门的一输入端共接，所述第一与门、第二与门和第三与门的另一输入端组成所述上桥过流控制电路的三个输入端，所述第一与门、第二与门和第三与门的输出端组成所述上桥过流控制电路的三个输出端。
8.一种空调器控制器，所述空调器控制器包括如权利要求1至7任一所述的智能功率模块。
9.一种空调器，包括如权利要求8所述的空调器控制器。
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Legal Events
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Granted publication date: 20191122 |
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