CN108306541A - Ipm模块与家用电器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种IPM模块与家用电器；所述IPM模块包括逆变电路、PFC电路以及驱动电路，其中所述PFC电路包括至少一个半导体功率器件，所述半导体功率器件采用宽禁带半导体器件；所述驱动电路驱动所述逆变电路和所述PFC电路工作。本发明技术方案通过在IPM模块中集成了逆变电路以及PFC电路，且该PFC电路的半导体功率器件采用宽禁带半导体器件，以使所述PFC电路具有较佳的电气性能、热稳定性、强抗辐射能力等优点，从而在不大幅提高材料成本的前提下，显著提高了整个IPM模块的电热性能以及工作可靠性；以满足家用变频电器在使用过程中所遇到的恶劣环境，提高了家用变频电器的使用可靠性以及安全性。

Description

IPM模块与家用电器
技术领域
本发明涉及家用电器领域，特别涉及一种IPM模块与家用电器。
背景技术
IPM(Intelligent Power Module)，即智能功率模块，不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起。而且其内部集成有过电压，过电流和过热等故障检测电路，并可将检测信号送到CPU。它由高速低功耗的管芯和优化的门极驱动电路以及快速保护电路构成。IPM以其高可靠性，使用方便赢得越来越大的市场，尤其适合于驱动电机的变频器和各种逆变电源。随着变频化的普及，特别是在家电中的普及，作为变频核心的智能功率模块(IPM)技术显得尤为重要。
为了提高IPM的应用以及多功能性，生产商在IPM内集成了PFC(Power FactorCorrection，功率因素校正)单元，这种二合一的IPM结构虽然是对PFC和逆变单元两部分进行了集成而节省了电路面积以及提高了电路稳定性，但是如何进一步提升其性能，尤其是PFC部分的电热性能目前已经形成了瓶颈，现有的这种二合一的IPM结构已无法满足在极端电路环境下运行的电热性能需求。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种IPM模块与家用电器，旨在不大幅提高材料成本的前提下，显著提高IPM模块的电热性能以及工作可靠性。
为实现上述目的，本发明提出的一种IPM模块，所述IPM模块为集成电路，所述IPM模块包括：
逆变电路、
PFC电路，包括至少一个半导体功率器件，所述半导体功率器件采用宽禁带半导体器件；
驱动电路，与所述逆变电路和所述PFC电路电连接，以驱动所述逆变电路和所述PFC电路工作。
优选地，所述驱动电路包括分立的逆变驱动芯片以及PFC驱动芯片；
所述逆变驱动芯片与所述逆变电路电连接，以驱动所述逆变电路工作；
所述PFC驱动芯片与所述PFC电路电连接，以驱动所述PFC电路工作。
优选地，所述PFC驱动芯片具有过流检测端，所述过流检测端供所述IPM模块的外部电路电连接，以在所述IPM模块所在的电路出现过流时，所述PFC驱动芯片停止工作。
优选地，所述IPM模块包括供电端，所述供电端与所述逆变驱动芯片以及PFC驱动芯片电连接。
优选地，所述IPM模块具有PFC输入端以及PFC输出端；
所述PFC电路包括第一开关管以及第一二极管；所述第一开关管的受控端与所述PFC驱动芯片电连接，所述第一开关管的输出端为所述PFC输入端；所述第一开关管的输出端与所述第一二极管的阳极连接，所述第一二极管给的阴极为所述PFC输出端；
所述第一开关管的输入端接地或与负电压源连接。
优选地，所述第一开关管为N沟道MOS管；所述MOS管的栅极为所述第一开关管的受控端；所述MOS管的漏极为所述第一开关管的输出端；所述MOS管的源极为所述第一开关管的输入端。
优选地，所述PFC电路中的半导体功率器件包括SiC材质半导体功率器件、GaN材质半导体功率器件、AlN材质半导体功率器件、ZnSe材质半导体功率器件中的一种或多种。
优选地，所述逆变电路包括由第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管所构成的全桥逆变电路；所述第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管为全硅型开关管。
本发明还提出一种家用电器，其特征在于，所述家用电器包括所述的IPM模块。
优选地，所述家用电器为空调器。
本发明技术方案通过在IPM模块中集成了逆变电路以及PFC电路，且该PFC电路的半导体功率器件采用宽禁带半导体器件，以使所述PFC电路具有较佳的电气性能、热稳定性、强抗辐射能力等优点，从而在不大幅提高材料成本的前提下，显著提高了整个IPM模块的电热性能以及工作可靠性；以满足家用变频电器在使用过程中所遇到的恶劣情况，提高了家用变频电器的使用可靠性以及安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明IPM模块一实施例的结构示意图。
附图标号说明：
标号 名称 标号 名称
10 PFC电路 D8 第二开关管
PFC PFC输入端 D9 第三开关管
VCC1 PFC输出端 D10 第四开关管
Q1 第一开关管 D11 第五开关管
D1 第一二极管 D12 第六开关管
U1 逆变驱动芯片 D13 第七开关管
U2 PFC驱动芯片 PFCTRIP 过流检测端
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提出一种IPM模块，应用于家用电器中，尤其是变频家电的变频器中，所述变频器的主电路通常为电压型的交-直-交变换电路，其中所述IPM模块作为其中的核心部分，实现将直流电能变换成交流电能的作用。本方案中的所述IPM模块除了具有传统IPM所具有的逆变、短路保护、过流保护、欠压保护以及过热保护以外，还具有PFC功能。请参与图1，具体地，本方案中所述IPM模块为集成电路，其具有电能输入端、电能输出端，PFC输入端PFC、PFC输出端VCC1；所述IPM模块包括逆变电路和PFC电路10；所述逆变电路用于将自所述电能输入端输出的直流电逆变成交流电，并由所述电能输出端输出；所述PFC电路10包括至少一个半导体功率器件。在此需要解释的是，本方案中所述PFC电路10可以是能够独立且完全实现PFC功能的完整电路；也可以是需要与所述IPM模块的外部电路/器件共同构成完整的PFC开关电源。本方案中，优选采用后一种方案。即所述PFC电路10中包含一个或多个半导体功率器件，该半导体功率器件与位于IPM模块外部的电路/器件共同构成完整的PFC开关电源，以执行PFC功能。所述PFC电路10的输入端为所述PFC输入端PFC；所述PFC电路10的输出端为所述PFC输出端VCC1。
所述IPM模块内还包括驱动电路，所述驱动电路与所述逆变电路、PFC电路10电连接，以驱动所述逆变电路以及所述PFC电路10工作。当所述PFC电路10与位于IPM模块外部的电路/器件共同构成完整的PFC开关电源时，所述驱动电路即通过驱动所述PFC电路10中的相关半导体功率器件以驱动整个PFC开关电源的工作。
本方案基于现有二合一IPM的应用缺陷，设置所述PFC电路10中的半导体功率器件包括类型为宽禁带半导体器件(第三代半导体功率器件)，以提高所述PFC电路10的电性能、热性能、以及工作的稳定性。可以理解的是，所述PFC电路10中的半导体器件可以全部为第三代半导体的功率器件，也可以部分为第三代半导体的功率器件。
可以理解的是，本方案中所述的宽禁带半导体器件即为第三代半导体功率器件，其是由第三代半导体材料所制成，主要包括金刚石、SiC、GaN、AlN、以及ZnSe等。本方案中所述PFC电路10的一个或多个半导体功率器件对应为SiC材质半导体功率器件、GaN材质半导体功率器件、AlN材质半导体功率器件、ZnSe材质半导体功率器件中的一种或多种。与第一代、第二代半导体材料相比，第三代半导体材料具有禁带宽度大，电子漂移饱和速度高、具有高击穿电场强度、高截止频率等特性，以使所述第三代半导体功率器件所构成的PFC电路10能够具有更佳的电气性能；而且第三代半导体材料具有的高热传导率、高结温和良好的热稳定性、强抗辐射能力等特点，使得本方案IPM中的PFC电路10能够具有的电热性能，即使在极端的电路环境下工作，仍能够保持较好的电路稳定性和可靠性。这是由于，家用电器不同于一般的工业电器，其在使用过程中，经常受到的人为造成的电气故障，因此IPM模块优越的电气性、电热性能，能够大大提高所述家用电器的工作稳定性以及使用安全性。
本方案基于提升IPM模块整体电热性能的发明目的，兼顾考虑了目前宽禁带半导体器件价格仍旧较高的因素，因此本方案主要在PFC电路10中采用第三代半导体功率器件，一方面是由于PFC电路10所用到的半导体功率器件较少，不会较多的提高生产成本；更为重要的是，在变频器中，所述PFC电路10(PFC开关电源)处于所述逆变电路的下级，更加靠近于变频器输出端，因此若输出端遇到短路、过流、过热等问题，所述PFC电路10会较先进行动作，以在瞬间过流、过热的冲击时，仍保持较为稳定的工作，从而为IPM模块的相关保护功能启动争取时间；因此将PFC电路10中的半导体功率器件采用宽禁带半导体器件，无论是从经济效益还是从电路保护角度，都是最佳的选择。
本发明技术方案通过在IPM模块中集成了逆变电路以及PFC电路10，且该PFC电路10的半导体功率器件采用宽禁带半导体器件，以使所述PFC电路10具有较佳的电气性能、热稳定性、强抗辐射能力等优点，从而在不大幅提高材料成本的前提下，显著提高了整个IPM模块的电热性能以及工作可靠性；以满足家用变频电器在使用过程中所遇到的恶劣环境，提高了家用变频电器的使用可靠性以及安全性。
本领域技术人员可以理解的是，本方案中所提到的PFC电路10中的半导体功率器件是指开关管(MOS管、晶闸管、IGBT等)、二极管、稳压管等。功率半导体器件的体积较小，便于集成于所述IPM模块中。本方案中IPM模块中的PFC电路10是PFC开关电源的一部分，所述PFC开关电源通常还包括用于储能升压的电感或电容、而由于电感电容的体积较大，因此设置于所述IPM模块的外部，通过电气连接以与所述PFC电路10构成完整的PFC开关电源。
为了进一步提高所述PFC电路10的工作稳定性，本方案设置所述驱动电路包括分立的逆变驱动芯片U1以及PFC驱动芯片U2；所述逆变驱动芯片U1与所述逆变电路电连接，以驱动所述逆变电路工作；所述PFC驱动芯片U2与所述PFC电路10电连接，以驱动所述PFC电路10工作。具体地，在一实施例中，所述逆变驱动具有六个控制通道，以对应控制逆变桥中六个开关管的工作。逆变驱动芯片U1具有信号输入端(HIN1/HIN2/HIN3/LIN1/LIN2/LIN3)；以及信号输出端(LO1/LO2/LO3/HO1/HO2/HO3)；当所述逆变驱动芯片U1的信号输入端接收到外部MCU的控制信号时，所述逆变驱动芯片U1的信号输出端输出控制信号，控制对应通道的开关管导通，以控制所述逆变电路的工作。所述PFC驱动芯片U2具有信号输入端PFCIN以及信号输出端PFCOUT；当所述PFC驱动芯片U2的信号输入端PFCIN接收到有效的控制信号时，所述PFC驱动芯片U2的信号输出端PFCOUT输出控制信号至所述PFC电路10，以控制所述PFC电路10/PFC开关电源的工作。
本发明技术方案基于所述IPM模块内PFC电路10包括第三代半导体功率器件，且考虑到由于第三代半导体功率器件的工作特殊性，因此通过将逆变驱动芯片U1以及PFC驱动芯片U2分立设置，以使IPM模块中逆变电路的工作和PFC电路10的工作互相隔离，互不干扰，使得逆变驱动芯片U1以及PFC驱动芯片U2分别根据逆变电路和PFC电路10的工作特点分别进行驱动，更加有利于提高各自的工作稳定性和可靠性。为了简化IPM内部的电路结构，本方案设置所述IPM模块包括供电端，所述供电端为所述逆变驱动芯片U1以及PFC驱动芯片U2供电。
为了进一步提高所述PFC电路10的工作可靠性以及安全性，本方案中的所述PFC驱动芯片U2具有过流检测端PFCTRIP；以在所述IPM所在的电路出现过流时，所述PFC驱动芯片U2停止工作。可以理解的是，可以根据需要，将所述PFC电路10的过流检测端PFCTRIP与所述IPM所在的电路的某一点进行电连接，以实现根据检测该点处的电流值，控制所述PFC驱动芯片U2以及PFC电路10的工作。
本领域技术人员可以理解的是，PFC开关电源的具体形式繁多，不尽相同，工作模式也不一样(CCM电流连续型、DCM不连续型、CRM临界型)因此对于本方案中，其对应的IPM模块内部的PFC电路10也具有多种不同的结构。在一实施例中，所述PFC开关电源基于BOOST升压电路结构；所述PFC电路10包括第一开关管Q1以及第一二极管D1；所述第一开关管Q1的受控端与所述PFC驱动芯片U2电连接，所述第一开关管Q1的输出端供所述PFC开关电源的升压元件电连接，且所述第一开关管Q1的输出端为所述PFC输入端PFC；所述第一开关管Q1的输出端与所述第一二极管D1的阳极连接，所述第一二极管D1给的阴极为所述PFC输出端VCC1；所述第一开关管Q1的输入端接地或与负电压源-VCC连接。在该实施例中，所述升压元件为连接于所述IPM模块外部的储能电感。为了方便对该PFC的电路工作过程进行说明，在此以该PFC电路10位于整流电路输出端和大滤波电容之间为例说明：所述第一开关管Q1在PFC驱动芯片U2的控制下导通时，所述储能电感储存能量，而在所述第一开关管Q1截止时，所述电感上感应出电压，并将储存其内的能量通过第一二极管D1对大滤波电容充电，输出能量；由于储能电感上的电流不能突变，就对大的滤波电容的浪涌电流起了限制作用，该电路通过控制第一开关管Q1的导通，使输入电流能跟踪输入电压的变化，从而提高了电路的功率因数。
进一步地，本方案中所述第一开关管Q1为N沟道MOS管；所述MOS管的栅极为所述第一开关管Q1的受控端；所述MOS管的漏极为所述第一开关管Q1的输出端；所述MOS管的源极为所述第一开关管Q1的输入端。当然所述MOS管也可以采用IGBT来进行替换。所述第一开关管Q1和第一二极管D1均为第三代半导体功率器件，优选地，所述第一开关管Q1和第一二极管D1均为SiC型半导体功率器件。
所述逆变电路可以为三相逆变电路或单项逆变电路，在此以三相逆变电路为例说明，所述逆变电路包括由第二开关管D8、第三开关管D9、第四开关管D10、第五开关管D11、第六开关管D12、第七开关管D13所构成的全桥逆变电路；其中所述第二开关管D8、第三开关管D9、第四开关管D10、第五开关管D11、第六开关管D12、第七开关管D13为MOS管，且全硅型开关管。具体逆变电路的工作原理为本领域技术人员所熟知，在此不再赘述。
基于上述实施例，本方案中的IPM模块可以应用于变频家电的变频器中，当然也可以用于其他需要逆变或者PFC校正的相关电路中。所述家用电器可以为空调器、洗衣机、冰箱等。优选地，所述变频家电为空调器。该IPM模块的具体结构参照上述实施例，由于本家用电器采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果。所述IPM模块应用于空调器中的电路结构可以参照现有技术，在此不再赘述。
以上所述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，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种IPM模块，所述IPM模块为集成电路，其特征在于，所述IPM模块包括：
逆变电路；
PFC电路，包括至少一个半导体功率器件，所述半导体功率器件采用宽禁带半导体器件；
驱动电路，与所述逆变电路和所述PFC电路电连接，以驱动所述逆变电路和所述PFC电路工作。
2.如权利要求1所述的IPM模块，其特征在于，所述驱动电路包括分立的逆变驱动芯片以及PFC驱动芯片；
所述逆变驱动芯片与所述逆变电路电连接，以驱动所述逆变电路工作；
所述PFC驱动芯片与所述PFC电路电连接，以驱动所述PFC电路工作。
3.如权利要求2所述的IPM模块，其特征在于，所述PFC驱动芯片具有过流检测端，所述过流检测端供所述IPM模块的外部电路电连接，以在所述IPM模块所在的电路出现过流时，所述PFC驱动芯片停止工作。
4.如权利要求2所述的IPM模块，其特征在于，所述IPM模块包括供电端，所述供电端与所述逆变驱动芯片以及PFC驱动芯片电连接。
5.如权利要求2所述的IPM模块，其特征在于，所述IPM模块具有PFC输入端以及PFC输出端；
所述PFC电路包括第一开关管以及第一二极管；所述第一开关管的受控端与所述PFC驱动芯片电连接，所述第一开关管的输出端为所述PFC输入端；所述第一开关管的输出端与所述第一二极管的阳极连接，所述第一二极管给的阴极为所述PFC输出端；
所述第一开关管的输入端接地或与负电压源连接。
6.如权利要求5所述的IPM模块，其特征在于，所述第一开关管为N沟道MOS管；所述MOS管的栅极为所述第一开关管的受控端；所述MOS管的漏极为所述第一开关管的输出端；所述MOS管的源极为所述第一开关管的输入端。
7.如权利要求1至6任意一项所述的IPM模块，其特征在于，所述PFC电路中的半导体功率器件包括SiC材质半导体功率器件、GaN材质半导体功率器件、AlN材质半导体功率器件、ZnSe材质半导体功率器件中的一种或多种。
8.如权利要求1所述的IPM模块，其特征在于，所述逆变电路包括由第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管所构成的全桥逆变电路；所述第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管为全硅型开关管。
9.一种家用电器，其特征在于，所述空调器包括如权利要求1至8任意一项所述的IPM模块。
10.如权利要求9所述的家用电器，其特征在于，所述家用电器为空调器。
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