CN109599845B

CN109599845B - 一种保护电路、上桥驱动芯片及ipm模块

Info

Publication number: CN109599845B
Application number: CN201811436222.2A
Authority: CN
Inventors: 王斌
Original assignee: Hisense Guangdong Air Conditioning Co Ltd; Hisense Home Appliances Group Co Ltd
Current assignee: Hisense Guangdong Air Conditioning Co Ltd; Hisense Home Appliances Group Co Ltd
Priority date: 2018-11-28
Filing date: 2018-11-28
Publication date: 2021-10-22
Anticipated expiration: 2038-11-28
Also published as: CN109599845A

Abstract

本发明提供一种保护电路、上桥驱动芯片及IPM模块，涉及电子技术领域。本发明实施例能够及时检测到上桥驱动电路中的过电流，检测到过电流后及时通过控制电路关断上桥驱动电路，避免上桥功率开关器件过电流状态持续发生，从而保护了上桥功率器件，提高了上桥驱动电路的可靠性。该保护电路的第一端连接功率开关器件的第一端，保护电路的第二端连接功率开关器件的第二端，保护电路的第三端连接驱动模块的第一端；保护电路，用于当保护电路的第一端与保护电路的第二端之间电压大于阈值电压时，保护电路的第三端输出第一电平信号，使得驱动模块接收到第一电平信号后控制上桥功率开关器件断开。本发明应用于控制上桥功率开关器件的驱动及其保护电路。

Description

一种保护电路、上桥驱动芯片及IPM模块

技术领域

本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种保护电路、上桥驱动芯片及IPM模块。

背景技术

目前，越来越多的电器设备中开始采用直流无刷电机。驱动电路作为直流无刷电机中非常重要的部分对直流无刷电机的运转性能有着重要影响。如图1所示，为现有技术中的一种IPM模块电路的电路原理示意图。该IPM模块电路中包括6个功率开关器件IGBT(绝缘栅型双极型晶体管)(图中IGBT1-IGBT6)、6个FRD(Fast recovery diode，快恢复二极管)(图中Di1-Di6)以及上桥控制芯片(图中HVIC)、下桥控制芯片(图中LVIC)。其中，HVIC和LVIC用于从U_P、V_P、W_P、U_N、V_N、W_N6个端口接收6路控制信号，并根据这6路控制信号通过HVIC中的U_OUT、V_OUT、W_OUT端口以及LVIC中的U_OUT、V_OUT、W_OUT端口驱动6个IGBT功率开关器件，从而通过端口U、V、W向直流无刷电机中的不同定子绕组供电、驱动直流电机运行。在驱动电路中，控制U、V、W端口的IGBT1-IGBT3以及IGBT1-IGBT3的控制电路部分称为上桥驱动电路；控制NU、NV、NW端口的IGBT4-IGBT6以及控制IGBT4-IGBT6的电路部分称为下桥驱动电路。需要说明的是上述图1所示驱动电路也可封装在一个IPM(Intelligent Power Module，智能功率模块)模块中。在实际应用中，还可以存在仅有IGBT1及IGBT4及其对应上桥、下桥控制芯片的驱动电路，称为上下桥电路；或者，仅有IGBT1、IGBT2、IGBT4、IGBT5及其对应上桥、下桥控制芯片的驱动电路，称为H桥电路。本发明对应用场景中上桥、下桥中的开关器件以及驱动的电路支路的个数不作限制。

其中上桥电路的过电流保护功能是现有技术的一个难点，一般需要外接电流传感器进行上桥电流的检测，比如电流互感器、霍尔电流传感器等，当超过预定电流阈值时关断上桥的功率开关器件，电路复杂且成本高。

针对上述现有技术，驱动电路中在上桥控制芯片部分通常都不具有集成的过电流保护功能。限于成本因素，一般在应用中又不设置外接的上桥过电流保护电路，这就导致当出现上桥过电流时，上桥驱动电路不能及时关闭，从而不能及时保护上桥功率器件的安全。

发明内容

本发明提供一种保护电路，能够及时检测到上桥驱动电路中的过电流并在检测到过电流后及时控制上桥驱动电路关断，避免过电流状态的持续发生，从而保护了上桥功率器件，提供上桥驱动电路的可靠性。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

第一方面，本发明实施例提供一种保护电路，应用于控制上桥驱动电路，上桥驱动电路包括功率开关器件、驱动模块；保护电路的第一端连接功率开关器件的第一端，保护电路的第二端连接功率开关器件的第二端，保护电路的第三端连接驱动模块的第一端；保护电路，用于当保护电路的第一端与保护电路的第二端之间电压大于阈值电压时，则从保护电路的第三端输出第一电平信号，以使得驱动模块接收到第一电平信号后控制功率开关器件断开。

第二方面，本发明实施例提供一种上桥驱动芯片，包括上桥驱动电路，上桥驱动电路包括功率开关器件、驱动模块，其中上桥驱动芯片还包括如上述第一方面所提供的保护电路。

第三方面，本发明实施例提供一种IPM模块，包括上桥驱动电路以及如上述第一方面所提供的保护电路。

本发明实施例能够及时检测到上桥驱动电路中的过电流并在检测到过电流后及时控制上桥驱动电路关断，避免过电流状态的持续发生，从而保护了上桥功率器件，提供上桥驱动电路的可靠性。

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。

图1为现有技术中的一种驱动电路的结构示意图；

图2为现有技术中对单个上桥功率开关器件的上桥驱动电路的结构示意图；

图3为本发明所提供的一种上桥驱动电路和保护电路的结构原理示意图；

图4为本发明所提供的另一种上桥驱动电路和保护电路的结构原理示意图；

图5为本发明所提供的又一种上桥驱动电路和保护电路的结构原理示意图；

图6为本发明实施例提供的一种上桥驱动芯片的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一种包含上桥驱动功能的驱动芯片的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的一种IPM模块的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的实施例进行描述。

本发明实施例中，为方便阅读在附图中对电路的部分元件或者单元的端脚进行了标注，例如图3中保护电路202的五个端脚分别标注了“1”、“2”、“3”、“4”、“5”，用于区分保护电路202的第一端、第二端、第三端、第四端以及第五端。

以下对本发明的发明原理进行介绍：如图2所示，为现有技术中对单个上桥功率开关器件的上桥驱动电路。其中，如图所示，上桥驱动电路10包括功率开关器件101和驱动模块102。具体的，在Hin接口接收到驱动信号之后，通过上桥驱动电路中的控制电路控制三极管Q103和Q104按照预设方式导通/关断，从而控制触发器N104输出相应的电平信号，最终控制功率开关器件V104的导通/关断。另外，现有技术中的上桥驱动电路还包括检测单元，用于当检测到上桥驱动模块电源电压发生欠压时控制三极管Q101导通，从而控制三极管Q102导通以使得向控制电路发送低电平信号，控制电路在接收到低电平信号后控制功率开关器件V104断开。

针对上述现有技术，本发明发明人发现，现有技术中的上桥驱动电路都不具有过电流保护功能，包括单独的上桥驱动IC以及IPM模块中的上桥驱动HVIC等。这样一来，当出现上桥过电流时，上桥驱动电路不能及时关闭，从而不能及时保护上桥功率开关器件的安全，具体包括IGBT/MOSFET这类功率开关器件、以及包含功率开关器件的IPM模块等。

进而本发明中利用上桥驱动电路中功率开关器件在过电流状态下两端电压较大幅度增大的特性，通过检测开关器件的两端电压，当开关器件的两端电压大于阈值时，则判断上桥发生过电流事件，向驱动模块输出一个控制信号，能够及时控制上桥功率开关器件关断。

实施例一：

基于上述发明原理，本发明实施例提供一种保护电路，应用于控制上桥驱动电路。如图3所示，为本发明所提供的一种上桥驱动电路和保护电路的电路结构原理示意图，其中上桥驱动电路201包括功率开关器件2011、以及驱动模块2012。功率开关器件2011的第一端连接电源，第二端与上桥中的功率开关器件2011的第二端连接，功率开关器件2011的第三端与驱动模块2012连接。驱动模块2012用于控制功率开关器件2011的第一端和第二端之间的导通/关断。具体的，其中功率开关器件2011的结构可以参照图2中功率开关器件101的结构，其中功率开关器件2011可以为IGBT与二极管并联合成。另外，驱动模块2012的结构也可以参照图2中驱动模块102的结构。需要说明的是，本发明中对于功率开关器件2011和控制模块2012的内部结构可不做限制，只要功率开关器件2011和控制模块2012能够与本发明实施例提供的保护电路202相互配合完成本发明所要实现的功能即可。

需要说明的是，本发明中所称“功率开关器件”指与图3中的IGBT与二极管的并联结构功能相当的器件。例如，可以将图3中的IGBT替换为MOSFET管，还可以是没有二极管的单独的IGBT、MOSFET、或其他具有功率开关功能的功率半导体器件。对于功率开关器件的具体结构本发明不做限制。

如图3所示，本发明实施例提供的保护电路202的第一端连接功率开关器件2011的第一端，保护电路202的第二端连接功率开关器件2011的第二端，保护电路202的第三端连接驱动模块2012的第一端，同时保护电路202的第四端和驱动模块2012的第二端连接。

保护电路202，用于当保护电路202的第一端与保护电路202的第二端之间电压大于阈值电压时，并且当保护电路202的第四端检测到驱动模块正处于驱动功率开关器件处于导通状态时，则从保护电路202的第三端输出第一电平信号，以使得驱动模块2012接收到第一电平信号后控制功率开关器件2011断开。

由于功率半导体器件的一个固有特性是：通过的电流越大则其管压降越大，利用这一特性可以可靠检测出过电流事件。因此本发明实施例中，利用上桥驱动电路中功率开关器件2011在过电流状态下两端电压增大的特性，通过检测功率开关器件2011的两端电压，当功率开关器件2011的两端电压大于阈值时则向驱动模块2012输出一个控制信号的方式，从而能够及时检测到上桥驱动电路中的过电流并且及时控制上桥驱动电路关断。

进一步的，在一种实现方式中，如图4所示，本发明实施例所提供的保护电路202具体包括采样模块2021和使能模块2022。其中，采样模块2021的第一端连接保护电路202的第一端，采样模块2021的第二端连接保护电路202的第二端，采样模块2021的第三端连接使能模块2022的第一端，使能模块2022的第二端连接保护电路202的第四端，使能模块2022的第三端连接保护电路202的第三端。其中，

采样模块2021，用于当采样模块2021的第一端与采样模块2021的第二端之间电压大于阈值电压时，从采样模块021的第三端输出第二电平信号；

使能模块2022，用于当使能模块2022的第一端检测到第二电平信号并且使能模块2022的第二端检测到第三电平信号时，从使能模块2022的第三端输出第一电平信号。其中，驱动模块2012处于驱动功率开关器件导通的状态时会向驱动模块的第二端输出第三电平信号。

在一种实现方式中，如图5所示(为避免附图内容繁杂，图5中未标出驱动模块2012的端口序号)，采样模块2021，具体包括：电阻单元R104、二极管单元V103、稳压管单元V102、第一比较器单元N103、第一电压源VC。

其中，第一电压源VC连接电阻单元R104的一端。电阻单元R104的另一端连接第一比较器单元N103的正极输入端。第一比较器单元N103的正极输入端分别连接稳压管单元V102的负极以及二极管单元V103的正极，第一比较器单元N103的负极连接第一参考电位Vref1，第一比较器单元N103的输出端连接采样模块2021的第三端，稳压管单元V102的正极连接采样模块2021的第二端，二极管单元V103的负极连接采样模块2021的第一端。

在一种实现方式中，本发明实施例中二极管单元V103为高耐电压的超快恢复二极管。

另外，在一种实现方式中，如图5所示，使能模块2022，具体包括：与门单元N102。

与门单元N102的第一输入端连接使能模块的第一端；与门单元N102的第二输入端连接使能模块的第二端；与门单元N102的输出端连接使能模块2022的第三端。

需要说明的是，为保持附图清楚，图5中未标出驱动模块2012的范围，具体驱动模块2012的范围可参照图4以及图4的相应说明。

具体的，当V104导通时电流通过VC，经R104、V103、Vce到达上桥参考源VS点。此时Vb＝Vd+Vce。其中：Vd为V103的正向导通管压降，稳压二极管V102的Vz值大于正常导通时的Vb值，即正常导通时V102不起作用。当上桥关断时，此时IGBT管V104处于二极管续流状态、或不续流状态中：1)若处于续流状态，电压Vc低于VS，为了确保N103不发生负偏，二极管V103被设计成高正向导通压降器件，使得在此种状态下，Vb电位高于VS电位。2)若处于不续流状态，则Vc处于高压电位，V103承受较高电压值且不导通。此时电压Vb被二极管V102箝位，确保N103处于安全工作状态。另外，基于在V104关断期间输出状态的不确定性，设置有一个使能电路N102，为与门逻辑电路，当IGBT处于导通状态时，其驱动电路N104的输出信号为1，从而使得N102可以传送N103的输出状态，当IGBT处于关闭状态时，其驱动电流N104的输出信号为0，从而使得N102处于锁定状态，关断N103的输出。此外，N102还可以是其他可以实现与门功能的逻辑电路。

此外，在一种实现方式中，如图3所示，保护电路202还包括第五端，保护电路202的第五端连接驱动模块2012的第三端。并且上述实例中驱动模块2012接收到第一电平信号后驱动功率开关器件2011断开，具体包括驱动模块2012的第一端接收到第一电平信号并且驱动模块2012的第三端接收到第四电平信号后，则驱动功率开关器件2011断开。

进而，保护电路202还用于当保护电路202的第一端与保护电路202的第二端之间电压大于阈值电压并且持续预设时间之后，从保护电路202的第五端输出第四电平信号。

本发明实施例中，利用驱动模块2012中具有的如异常处理单元这类功能单元，将异常处理单元这类功能单元的接口作为驱动模块2012的第三端。由于此时需要驱动模块2012第一端和第三端同时输出高电平才能触发上桥驱动电路的关断，因此本发明中利用将保护电路202的第五端与驱动模块2012的第三端连接，并当保护电路202的第一端与第二端之间高电压持续一定时间后再从保护电路202的第五端输出第四电平信号的这种方法，从而过滤掉了持续时间过短的过电流，以及极短时间的干扰脉冲信号，保证了系统的稳定性。

具体的，在一种实现方式中，如图4所示，本发明实施例所提供的保护电路202具体包括延时模块2023，其中延时模块2023的第一端连接保护电路202的第三端，延时模块2023的第二端连接保护电路202的第五端。

延时模块2023，用于当延时模块2023的第一端检测到第一电平信号并持续预设时长后，从延时模块2023的第二端输出第四电平信号。

具体的，在一种实现方式中，如图5所示，延时模块2023具体包括：恒流源A101，第二比较器单元N101、电容单元C102；其中，

电容单元C102的一端分别连接恒流源A101的输出端以及第二比较器单元N101的正极输入端；电容单元C102的另一端连接功率开关器件VS的第二端；恒流源A101的输入端连接延时模块2023的第一端；第二比较器单元N101的负极输入端连接第二参考电位Vref2；第二比较器单元N101的输出端连接延时模块2023的第二端。

本发明实施例所提供的保电路，能够及时检测到上桥驱动电路中的过电流并在检测到过电流后及时控制上桥驱动电路关断，避免过电流状态的持续发生，从而保护了上桥功率器件，提供上桥驱动电路的可靠性。

实施例二：

本发明实施例还提供一种上桥驱动芯片，如图6所示，该上桥驱动芯片30包括驱动模块301，其中上桥驱动电路30还包括如上述实施例一中所提供的保护电路202。

其中对驱动模块301的描述可参照上述实施例一中对驱动模块2012的相应描述，在此不再赘述。

实施例三：

本发明实施例还提供一种包含上桥驱动功能的驱动芯片，如图7所示，该包含上桥驱动功能的驱动芯片40包括驱动模块401，另外包含上桥驱动功能的驱动芯片40还包括如上述实施例一中所提供的保护电路202。

具体的包含上桥驱动功能的驱动芯片40，可以为上下桥电路、H桥电路等驱动电路芯片。

另外，其中对驱动模块401的描述可参照上述实施例一中对驱动模块2012的相应描述，在此不再赘述。

实施例四：本发明实施例还提供一种IPM模块，或者称为IPM芯片。如图8所示，该IPM模块50中包括：上述实施例二所提供的上桥驱动芯片30或者上述实施例三所提供的包含上桥驱动功能的驱动芯片。

由于基于同一发明构思，本发明实施例所提供的上桥驱动芯片和IPM模块的实现方式以及有益效果，可参照上述实施例一中的相应描述，在此不再赘述。

本发明涉及功率半导体器件IGBT、MOSFET的驱动电路IC，特别是设计高压侧的上桥功率器件的驱动电路IC。发明的目的是解决上桥功率器件的过电流保护问题，业内常见的技术方案是在主回路上额外增加电流取样电路，电路复杂、占用空间大，同时成本高。为解决高压侧的电流检测问题，一般使用电流传感器电路进行电流检测，或使用霍尔电流传感器电路进行电流检测，检测带宽有限，对瞬间突变响应慢，难以快速响应，同时抗电强度方面有缺陷。目前，在半导体领域所标称的高侧电流取样集成IC，难以承受220V电源的高压电压，一般仅能实现低压100V以内的电路工作。本发明避免了上述所有缺陷，可以快速响应，同时能承受市电供电高压电源，还可以快速响应。检测环节直接并联在高侧功率半导体上，干扰小，响应快。利用箝位电路，锁定检测部电路的低压特征，同时利用V103实现了高压的隔离，当出现高压是不会损坏低压部分，低压电路成本低，工艺成熟且简单。Vref2、V102的温度特性模仿V104的Vce的温度特性，实现了在低温到高温的整个工作温度范围内的可靠过电流检测。该驱动IC适合与三相桥的驱动、IPM模块的应用、还适合单相桥、H桥的应用。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种保护电路，应用于控制上桥驱动电路，所述上桥驱动电路包括功率开关器件、驱动模块；其特征在于，所述保护电路的第一端连接所述功率开关器件的第一端，所述保护电路的第二端连接所述功率开关器件的第二端，所述保护电路的第三端连接所述驱动模块的第一端，所述保护电路的第四端连接所述驱动模块的第二端；

所述保护电路，用于当所述保护电路的第一端与所述保护电路的第二端之间的电压大于阈值电压，并且当所述保护电路的第四端检测到所述驱动模块正处于驱动所述功率开关器件处于导通状态时，则从所述保护电路的第三端输出第一电平信号，以使得所述驱动模块接收到所述第一电平信号后控制所述功率开关器件断开；

所述保护电路具体包括：采样模块和使能模块；其中所述采样模块的第一端为所述保护电路的第一端，所述采样模块的第二端为所述保护电路的第二端，所述采样模块的第三端连接所述使能模块的第一端；所述使能模块的第二端为所述保护电路的第四端，所述使能模块的第三端为所述保护电路的第三端；

所述采样模块，用于当所述采样模块的第一端与所述采样模块的第二端之间电压大于所述阈值电压时，从所述采样模块的第三端输出第二电平信号；

所述采样模块，具体包括：电阻单元、二极管单元、稳压管单元、第一比较器单元、第一电压源；其中，

所述第一电压源连接所述电阻单元的一端；所述电阻单元的另一端连接所述第一比较器单元的正极输入端；所述第一比较器单元的正极输入端还分别连接所述稳压管单元的负极以及所述二极管单元的正极，所述第一比较器单元的负极输入端连接第一参考电位，所述第一比较器单元的输出端连接所述采样模块的第三端；所述稳压管单元的正极连接所述采样模块的第二端；所述二极管单元的负极连接所述采样模块的第一端。

2.根据权利要求1所述保护电路，其特征在于，

所述使能模块，用于当所述使能模块的第一端检测到所述第二电平信号并且所述使能模块的第二端检测到第三电平信号时，从所述使能模块的第三端输出所述第一电平信号；其中，所述驱动模块处于驱动所述功率开关器件导通的状态时会向驱动模块的第二端输出所述第三电平信号。

3.根据权利要求2所述保护电路，其特征在于，所述使能模块，具体包括：与门单元；

所述与门单元的第一输入端连接所述使能模块的第一端；所述与门单元的第二输入端连接所述使能模块的第二端；所述与门单元的输出端连接所述使能模块的第三端。

4.根据权利要求1-3任一项所述保护电路，其特征在于，所述保护电路还包括第五端，所述保护电路的第五端连接所述驱动模块的第三端；所述驱动模块接收到所述第一电平信号后控制所述功率开关器件断开，具体包括所述驱动模块的第一端接收到所述第一电平信号并且所述驱动模块的第三端接收到第四电平信号，则控制所述功率开关器件断开；

所述保护电路，还用于当所述保护电路的第一端与所述保护电路的第二端之间电压大于阈值电压并且持续预设时间之后，从所述保护电路的第五端输出所述第四电平信号。

5.根据权利要求4所述保护电路，其特征在于，所述保护电路具体包括延时模块；

所述延时模块的第一端连接所述保护电路的第三端，所述延时模块的第二端连接所述保护电路的第五端；

所述延时模块，用于当所述延时模块的第一端检测到所述第一电平信号并持续预设时长后，从所述延时模块的第二端输出所述第四电平信号。

6.根据权利要求5所述保护电路，其特征在于，所述延时模块具体包括：恒流源，第二比较器单元、电容单元；其中，

所述电容单元的一端分别连接所述恒流源的输出端以及所述第二比较器单元的正极输入端；所述电容单元的另一端连接所述保护电路的第二端；所述恒流源的输入端连接所述延时模块的第一端；所述第二比较器单元的负极输入端连接第二参考电位；所述第二比较器单元的输出端连接延时模块的第二端。

7.一种上桥驱动芯片，包括驱动模块，其特征在于，所述上桥驱动芯片还包括如上述权利要求1-6任一项所述保护电路。

8.一种包含上桥驱动功能的驱动芯片，包括驱动模块，其特征在于，所述包含上桥驱动功能的驱动芯片还包括如上述权利要求1-6任一项所述保护电路。

9.一种IPM智能功率模块，其特征在于，包括上述权利要求7所述上桥驱动芯片或者包括上述权利要求8所述包含上桥驱动功能的驱动芯片。