CN109039094A - 一种智能功率模块 - Google Patents

Abstract

一种智能功率模块，其包括：整流电路，其用于与相应的外部交流电源连接，以将外部交流电源传输来的第一交流电转换为第一直流电；逆变电路，其与整流电路连接，用于将第一直流电转换为第二交流电；控制电路和驱动电路，驱动电路连接在逆变电路与控制电路之间，用于在控制电路的控制下驱动逆变电路运行。本智能功率模块将控制电路、整流电路、逆变电路以及驱动电路集成在整个模块中，相较于现有的智能功率模块，本智能功率模块具有更高的集成度，这样也就简化了硬件电路设计，从而有助于缩短开发周期、减小系统的体积，用户只需要搭建简单的外围电路便可以完成变频驱动系统的开发。

Description

一种智能功率模块

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体地说，涉及一种智能功率模块。

背景技术

智能功率模块(IPM)广泛应用于空调、洗衣机、冰箱等白色家电的变频驱动系统中，这也就要求智能功率模块需要具有高集成度、高可靠性以及高性能的特点。集成度的提高可以使得变频驱动系统具有更小的体积、更短的开发周期以及更低的成本，从而满足客户的需求。

然而，当前智能功率模块只集成有IGBT芯片和相关驱动电路，其在集成度方面还有很大的提升空间。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种智能功率模块，所述智能功率模块包括：

整流电路，其用于与相应的外部交流电源连接，以将所述外部交流电源传输来的第一交流电转换为第一直流电；

逆变电路，其与所述整流电路连接，用于将所述第一直流电转换为第二交流电；

控制电路和驱动电路，所述驱动电路连接在所述逆变电路与控制电路之间，用于在所述控制电路的控制下驱动所述逆变电路运行。

根据本发明的一个实施例，所述智能功率模块还包括：

第一电流检测电路，其与所述逆变电路连接，用于检测所述逆变电路的输出电流，并将得到的第一电流信号传输至所述控制电路，以由所述控制电路根据所述第一电流信号通过所述驱动电路对所述逆变电路进行闭环控制。

根据本发明的一个实施例，所述第一电流检测电路包括：

电流传感器，其与所述逆变电路的输出端连接；

模数转换器，其输入端与所述电流传感器连接，输出端与所述控制电路的对应端口连接。

根据本发明的一个实施例，所述智能功率模块还包括：

第一电压检测电路，其与所述整流电路连接，用于检测所述整流电路输出端之间的电压，并将得到的直流电压信号传输至所述控制电路。

根据本发明的一个实施例，所述控制电路配置为根据所述直流电压信号确定所述智能功率模块的调制系数。

根据本发明的一个实施例，所述智能功率模块还包括：

第二电流检测电路，其与所述整流电路和/或逆变电路连接，用于检测流经所述整流电路和/或逆变电路的电流，并将检测到的第二电流信号和/或第三电流信号传输至所述控制电路。

根据本发明的一个实施例，所述智能功率模块还包括：

温度检测电路，其与所述控制电路连接，用于检测所述整流电路和/或逆变电路的温度，并将得到的第一温度信号和/或第二温度信号传输至所述控制电路。

根据本发明的一个实施例，所述智能功率模块还包括：

第二电压检测电路，其与所述控制电路的电源输入端连接，用于检测所述控制电路的电源电压，并将得到的电源电压信号传输至所述控制电路。

根据本发明的一个实施例，所述智能功率模块采用双列直插的封装形式。

本发明所提供的智能功率模块将控制电路、整流电路、逆变电路以及驱动电路集成在整个模块中，相较于现有的智能功率模块，本发明所提供的智能功率模块具有更高的集成度，这样也就简化了硬件电路设计，从而有助于缩短开发周期、减小系统的体积，用户只需要搭建简单的外围电路便可以完成变频驱动系统的开发。

同时，由于控制电路和驱动电路集成在模块内部，因此控制电路对其他功能电路的控制响应速度也就更快，这样还有助于降低整个模块的功耗以及驱动时延，并且提高整个模块的抗干扰能力。

此外，由于用于进行欠压保护、过流保护、短路保护以及过热保护的相应检测信号不再需要像现有的智能功率模块那样传输至功率模块的外部，而是仅需要传输至模块内部的控制电路，上述检测信号的传输路径也就相应缩短，从而使得智能功率模块的保护时延缩短，从而提高了智能功率模块的安全性。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

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的附图做简单的介绍：

图1是根据本发明一个实施例的智能功率模块的应用场景示意图；

图2是根据本发明一个实施例的智能功率模块的结构示意图；

图3是根据本发明一个实施例的智能功率模块的内部功能框图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本发明实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。

现有的智能功率模块存在集成度不高的问题，其无法满足日益增长的小体积、低功耗以及高集成度的要求。针对现有智能功率模块所存在的上述问题，本发明提供了一种新的智能功率模块，该智能功率模块内部集成有整流电路和控制电路，从而提高了整个模块的集成度。

如图1所示，对于本发明所提供的智能供模块101来说，其连接在交流电源100与电机102之间。该智能功率模块101能够接收交流电源100所提供的交流电，并将该交流电转换为直流电后再将该直流电转换为交流电，最终将转换得到的交流电传输至电机102，以驱动电机102运行。

本实施例中，该智能功率模块101还与相应的主电路外围电路103连接。此外，该智能功率模块101还集成有控制电路，控制电路通过智能功率模块101的相应端口来与控制电源103连接，以接收控制电源103所提供的电能。

具体地，图2示出了本实施例所提供的智能功率模块101的结构示意图。

如图2所示，本实施例中，智能功率模块101优选地包括：整流电路201、中间直流电路202、逆变电路203、控制电路204以及驱动电路205。其中，整流电路201用于与交流电源100连接，其能够对交流电源100所提供的第一交流电进行交直转换，从而得到相应的第一直流电。

具体地，如图3所示，本实施例中，整流电路201优选地采用三相桥二极管整流电路来实现。当然，在本发明的其他实施例中，整流电路201还可以采用其他合理的电路形式来实现，本发明不限于此。例如，在本发明的一个实施例中，整流电路201还可以采用单相二极管整流电路或四象限PWM整流电路来实现。其中，如果整流电路201采用四象限PWM整流电路来实现，那么整流电路201还需要与相应的驱动电路来接，以接收该驱动电路所传输来的驱动信号。

中间直流电路202与整流电路201连接，其优选地包括支持电容等器件。逆变器203与中间直流电路202连接，其能够将中间直流电路202所传输来的直流电转换为相应的交流电(例如第二交流电)，并将该交流电传输至与之连接的电机102，以驱动电机102运行。

本实施例中，逆变电路203优选地采用三相桥式全控逆变电路来实现。逆变电路203的控制端口分别与驱动电路205的相应端口连接。当然，在本发明的其他实施例中，逆变电路203还可以采用其他合理的电路或器件来实现，本发明不限于此。

驱动电路205与控制电路204连接，本实施例中，控制电路204用于基于电机控制算法来生成相应的电机控制信号，并将所述电机控制信号发送至驱动电路205，以由驱动电路205进行处理后传输至与之连接的逆变电路203，从而控制逆变电路203的输出信号，进而实现对电机102的控制。

本实施例中，由于逆变电路203中包含6个IGBT，因此控制电路204优选地生成并输出6路PWM脉冲信号，从而相应地控制逆变电路203中6个IGBT的开闭，进而实现逆变电路203所输出的电压按照要求不断变化。

为了实现对逆变电路203所输出的电流的精确控制，本实施例中，该智能功率模块101还包括第一电流检测电路206。第一电流检测电路206与逆变电路203连接，其能够检测逆变电路203的输出电流，并将得到的第一电流信号传输至控制电路204。这样控制电路204也就可以根据上述第一电流信号来实现对逆变电路203的闭环控制。

具体地，如图3所示，本实施例中，第一电流检测电路206优选地包括电流传感器206a以及模数转换器206b。其中，电流传感器206a连接在逆变电路203的输出端，其能够检测逆变电路203所输出的电流，并将得到的检测电流信号传输至与之连接的模数转换器206b。模数转换器206b能够对电流传感器206a传输来的检测电流信号进行模数转换，并将得到的对应的数字信号(即第一电流信号)传输至控制电流204，从而由控制电路204来对逆变电路203的输出电流进行闭环控制。

本实施例所提供的智能功率模块优选地还包括第一电压检测电路207。第一电压检测电路207与整流电路201连接，其能够检测整流电路201输出端之间的电压(即中间直流电路202的电压)，并将得到的直流电压信号传输至与之连接的控制电路204。本实施例中，控制电路204能够根据第一电压检测电路207所传输来的直流电压信号确定智能功率模块的调制系数。

为了实现对智能功率模块的保护与利用，本实施例中，智能功率模块101优选地还具有欠压保护、过流保护、温度保护以及短路保护等功能。具体地，如图2所示，本实施例中，智能功率模块101包括：第二电流检测电路208、第二电压检测电路209和温度检测电路210。

其中，第二电流检测电路208与整流电路201和逆变电路203连接，其用于检测流经整流电路201和逆变电路203的电流，并将对应得到的第二电流信号和第三电流信号传输至控制电路204。如果第二电流信号所表征的电流值大于或等于预设整流电路安全电流阈值并持续预设时长，那么控制电路204则会生成并输出一故障信号，并生成相应的控制信号以断开整流电路201中的相关器件的电连接。而如果第三电流所表征的电流值大于或等于预设逆变电路安全电流阈值并持续预设时长，那么控制电路204则会生成并输出一故障信号，并生成相应的控制信号来将逆变电路203中相应的IGBT软关断。这样智能功率模块也就可以实现过流保护功能。

如果负载发生断路而导致逆变电路的上下臂同时导通，此时控制电路204将关断相应的IGBT。此外，如果流经IGBT的电流超出预设短路保护电流阈值并持续预设时长，那么控制电路204将生成并输出一故障信号，并生成相应的控制信号来将逆变电路203中相应的IGBT软关断。这样智能功率模块也就可以实现短路保护功能。

需要指出的是，根据实际需要，在本发明的其他实施例中，第二电流检测电路208还可以仅检测流经整流电路201或逆变电路203的电流，本发明不限于此。

第二电压检测电路209与控制电路204的电源输入端连接，其用于检测空盒子电路的电源电压，并将得到的电源电压信号传输至控制电路204。其中，如果电源电压信号所表征的电压值小于预设控制电源电压阈值并持续预设时长，那么控制电路204将智能功率模块关断并输出一故障信号。具体地，本实施例中，控制电路204的正常电源电压优选地为15V，上述预设控制电源电压阈值优选地配置为12.5V。当然，在本发明的其他实施例中，根据实际需要，控制电路204的正常电源电源以及预设控制电源电压阈值还可以配置为其他合理值，本发明不限于此。

温度检测电路210与控制电路204连接，温度检测电路210能够检测整流电路201和/或逆变电路203的温度，并将得到的第一温度信号和/或第二温度信号传输至控制电路204。本实施例中，为了更加准确地对整流电路201和/或逆变电路203的温度进行检测，温度检测电路201中的温度传感器优选地设置在整流电路201和/或逆变电路203中靠近功率芯片的绝缘基板上。如果基板温度超过预设安全温度阈值，控制电路将截止栅极驱动直到整流电路201和/或逆变电路203的温度恢复正常，从而实现对功率器件的保护。

本实施例中，控制电路采用故障检测和关断方式来使得智能功率模块中的功率芯片得到最大利用。其中，只要有一个保护电路起作用，IGBT芯片的栅极驱动电路便会关闭并生成一故障信号反馈给控制电路204，以由控制电路204封锁脉冲并进行保护。

本实施例中，控制电路204中的控制芯片优选地采用TIMS320F2803来实现。当然，在本发明的其他实施例中，根据实际需要，上述控制芯片还可以采用其他合理的器件来实现，本发明不限于此。例如，在本发明的一个实施例中，上述控制芯片还可以采用DSP、单片机或ARM来实现。

此外，本实施例所提供的智能功率模块采用了双列直插的封装形式，这样能够有效提高整个功率模块的功率密度。

从上述描述中可以看出，本发明所提供的智能功率模块将控制电路、整流电路、逆变电路以及驱动电路集成在整个模块中，相较于现有的智能功率模块，本发明所提供的智能功率模块具有更高的集成度，这样也就简化了硬件电路设计，从而有助于缩短开发周期、减小系统的体积，用户只需要搭建简单的外围电路便可以完成变频驱动系统的开发。

同时，由于控制电路和驱动电路集成在模块内部，因此控制电路对其他功能电路的控制响应速度也就更快，这样还有助于降低整个模块的功耗以及驱动时延，并且提高整个模块的抗干扰能力。

此外，由于用于进行欠压保护、过流保护、短路保护以及过热保护的相应检测信号不再需要像现有的智能功率模块那样传输至功率模块的外部，而是仅需要传输至模块内部的控制电路，上述检测信号的传输路径也就相应缩短，从而使得智能功率模块的保护时延缩短，从而提高了智能功率模块的安全性。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构或处理步骤，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

虽然上述示例用于说明本发明在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的原理和思想的情况下，明显可以在形式上、用法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本发明由所附的权利要求书来限定。

Claims (9)

1.一种智能功率模块，其特征在于，所述智能功率模块包括：

整流电路，其用于与相应的外部交流电源连接，以将所述外部交流电源传输来的第一交流电转换为第一直流电；

逆变电路，其与所述整流电路连接，用于将所述第一直流电转换为第二交流电；

控制电路和驱动电路，所述驱动电路连接在所述逆变电路与控制电路之间，用于在所述控制电路的控制下驱动所述逆变电路运行。

2.如权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述智能功率模块还包括：

第一电流检测电路，其与所述逆变电路连接，用于检测所述逆变电路的输出电流，并将得到的第一电流信号传输至所述控制电路，以由所述控制电路根据所述第一电流信号通过所述驱动电路对所述逆变电路进行闭环控制。

3.如权利要求2所述的智能功率模块，其特征在于，所述第一电流检测电路包括：

电流传感器，其与所述逆变电路的输出端连接；

模数转换器，其输入端与所述电流传感器连接，输出端与所述控制电路的对应端口连接。

4.如权利要求1～3中任一项所述的智能功率模块，其特征在于，所述智能功率模块还包括：

第一电压检测电路，其与所述整流电路连接，用于检测所述整流电路输出端之间的电压，并将得到的直流电压信号传输至所述控制电路。

5.如权利要求4所述的智能功率模块，其特征在于，所述控制电路配置为根据所述直流电压信号确定所述智能功率模块的调制系数。

6.如权利要求1～5中任一项所述的智能功率模块，其特征在于，所述智能功率模块还包括：

第二电流检测电路，其与所述整流电路和/或逆变电路连接，用于检测流经所述整流电路和/或逆变电路的电流，并将检测到的第二电流信号和/或第三电流信号传输至所述控制电路。

7.如权利要求1～6中任一项所述的智能功率模块，其特征在于，所述智能功率模块还包括：

温度检测电路，其与所述控制电路连接，用于检测所述整流电路和/或逆变电路的温度，并将得到的第一温度信号和/或第二温度信号传输至所述控制电路。

8.如权利要求1～7中任一项所述的智能功率模块，其特征在于，所述智能功率模块还包括：

第二电压检测电路，其与所述控制电路的电源输入端连接，用于检测所述控制电路的电源电压，并将得到的电源电压信号传输至所述控制电路。

9.如权利要求1～8中任一项所述的智能功率模块，其特征在于，所述智能功率模块采用双列直插的封装形式。