CN109639120A - 智能功率模块的驱动互锁电路及智能功率模块 - Google Patents

Abstract

涉及功率控制技术，提出一种智能功率模块的驱动互锁电路及智能功率模块，所述互锁电路是由多个晶体管开关电路构成的界面电路，所述互锁电路包括输入端、输出端以及互锁信号输入端；所述输入端用于连接一个桥臂的第一控制端；所述输出端用于连接至第一功率端；所述互锁信号输入端用于连接上述桥臂的第二控制端；所述输入端的电位信号经所述互锁电路传输至所述输出端；在所述输入端及所述互锁信号输入端同时输入高电平时，所述互锁电路通过所述输出端输出为低电平。该驱动互锁电路使得同一桥臂的驱动信号不可能同时为高电平，即同一桥臂的上下IGBT管不可能同时导通，避免了同一桥臂上下IGBT管直通造成的短路故障。

Description

智能功率模块的驱动互锁电路及智能功率模块

技术领域

本申请涉及功率控制技术，尤其涉及一种智能功率模块的驱动互锁电路及智能功率模块。

背景技术

智能功率模块(IPM Intelligent Power Module的缩写)是一种先进的功率开关器件，具有GTR(大功率晶体管)高电流密度、低饱和电压和耐高压的优点,以及MOSFET(场效应晶体管)高输入阻抗、高开关频率和低驱动功率的优点。而且智能功率模块内部集成了逻辑、控制、检测和保护电路，使用起来方便,不仅减小了系统的体积以及开发时间，也大大增强了系统的可靠性，适应了当今功率器件的发展方向——模块化、复合化和功率集成电路(PIC)，在电力电子领域得到了越来越广泛的应用。

目前，智能功率模块的驱动方式大多分为两种，一种是微控制单元(MCU)直接向智能功率模块传输驱动信号，这种驱动方式虽然简单，但是无法实现驱动信号互锁功能；另一种是利用隔离光耦传输驱动信号，可实现驱动信号互锁功能，但使用在信号无需隔离的条件下，成本高。

发明内容

为了解决上述技术问题，本申请提供了一种智能功率模块的驱动互锁电路及智能功率模块。

第一方面，本申请提供了一种智能功率模块的驱动互锁电路，所述互锁电路包括多个晶体管开关电路，所述互锁电路包括输入端、输出端以及互锁信号输入端；所述输入端用于连接一个桥臂的第一控制端；所述输出端用于连接至第一功率端；所述互锁信号输入端用于连接上述桥臂的第二控制端；所述输入端的电位信号经所述互锁电路传输至所述输出端；在所述输入端及所述互锁信号输入端同时输入高电平时，所述互锁电路通过所述输出端输出为低电平。

根据本申请的一实施例，所述互锁电路包括第一开关电路、第二开关电路以及第三开关电路；所述第一开关电路的第一控制极连接所述输入端，所述第一开关电路的第一负载极用于接至所述第二开关电路；所述第二开关电路的第二控制极连接于所述第一负载极，所述第二开关电路的第二负载极接至输出端；所述第三开关电路的第三控制极连接所述互锁信号输入端，所述第三开关电路的第三负载极用于接至所述第二负载极及输出端。

根据本申请的一实施例，所述第三开关电路与所述第一开关电路以及第二开关电路的极性相反。

根据本申请的一实施例，所述第一开关电路根据所述第一控制极输入的高电平信号导通，所述第一开关电路导通使所述第二控制极为低电平，所述第二开关电路断开；或者，

所述第一开关电路根据所述第一控制极输入的低电平信号截止，所述第一开关电路截止则第二控制极通过第一负载极接入为高电平，所述第二开关电路导通。

根据本申请的一实施例，所述第三开关电路根据所述第三控制极输入的低电平信号导通，在所述第二开关电路断开时，所述第三开关电路向所述输出端输出高电平信号，或者在所述第二开关电路导通时，所述第三开关电路向所述输出端输出低电平信号；或者，

所述第三开关电路根据所述第三控制极输入的高电平信号断开，在所述第二开关电路断开时，所述第三开关电路向所述输出端输出低电平信号，或者在所述第二开关电路导通时，所述第三开关电路向所述输出端输出低电平信号。

根据本申请的一实施例，所述第一开关电路及所述第二开关电路为NPN型电子开关电路；所述第三开关电路为PNP型电子开关电路。

根据本申请的一实施例，所述第二开关电路与所述第三开关电路的负载回路串联。

根据本申请的一实施例，所述第一开关电路及所述第二开关电路均设有分压电阻。

根据本申请的一实施例，所述第一开关电路、第二开关电路以及第三开关电路均设有位于控制极的限流电阻。

根据本申请的一实施例，所述第一开关电路以及第三开关电路均设有上拉电阻。

根据本申请的一实施例，所述第一开关电路以及第三开关电路的开关电源的电压高于所述输入端以及互锁信号输入端的电压。

根据本申请的一实施例，所述第二开关电路并联有分压电阻。

根据本申请的一实施例，所述第三开关电路的第三控制极通过上拉电阻连接开关电源，该上拉电阻与第三控制极上的限流电阻串联。

根据本申请的一实施例，所述第一开关电路的开关电源通过所述第二开关电路的控制极上的限流电阻以及分压电阻接地。

第二方面，本申请提供了一种智能功率模块，各桥臂均具有第一控制端以及第二控制端；其中至少一个桥臂的所述第一控制端以及所述第二控制端均设有如前所述的智能功率模块的驱动互锁电路。

本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：

本申请实施例提供的驱动互锁电路，同一桥臂的驱动信号不可能同时为高电平，即同一桥臂的上下IGBT管不可能同时导通，避免了同一桥臂上下IGBT管直通造成的短路故障，提高了功率电路的安全性、可靠性；并且该电路采用较少的电子元器件，以晶体管为核心器件，不仅成本低，而且结构简单，易于实现。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

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，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种驱动互锁电路的示意图。

图2为本申请实施例提供的一种智能功率模块的电路示意图。

1、互锁电路；11、输入端；12、输出端；13、互锁信号输入端；14、第一开关电路；141、第一控制极；142、第一负载极；143、第一发射级；Q1、第一三极管；15、第二开关电路；151、第二控制极；152、第二负载极；153、第二发射级；Q2、第二三极管；16、第三开关电路；161、第三控制极；162、第三负载极；163、第三发射级；Q3、第三三极管；

2、微控制单元；21、第一控制端；22、第二控制端；

3、智能功率模块；31、第一功率端；32、第二功率端。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

图1为本申请实施例提供的一种驱动互锁电路的示意图。如图所示意，本申请实施例首先提供了一种智能功率模块的驱动互锁电路，互锁电路1主要包括多个晶体管开关电路，互锁电路1主要包括输入端11、输出端12以及互锁信号输入端13；输入端11用于连接一个桥臂的第一控制端21。输出端12用于连接至第一功率端31。互锁信号输入端13用于连接上述桥臂的第二控制端22；输入端11的控制信号经互锁电路传输至输出端12；在输入端11及互锁信号输入端13同时输入高电平时，互锁电路通过输出端12输出为低电平。

本发明实施例提出一种驱动互锁电路，此电路采用较少的电子元器件，以三极管为核心器件，不仅能避免智能功率模块3模块内部的同一桥臂的上下IGBT管同时导通造成的短路故障，提高了功率电路的安全性和可靠性，而且成本低，结构简单，易于实现。

根据本申请的一实施例，互锁电路包括第一开关电路14、第二开关电路15以及第三开关电路16；第一开关电路14的第一控制极141连接输入端11，第一开关电路14的第一负载极142用于接至第二开关电路15，第一发射级143接地。第二开关电路15的第二控制极151连接于第一负载极142，第二开关电路15的第二负载极152接至输出端12，第二发射级153接地。第三开关电路16的第三控制极161连接互锁信号输入端13，第三开关电路16的第三负载极162用于接至第二负载极152及输出端12，第三发射级163通过上拉电阻R8连接开关电源。

其中，第三开关电路16与第一开关电路14以及第二开关电路15的极性相反。具体一示意例性实施例，第一开关电路14及第二开关电路15选择为NPN型电子开关电路；第三开关电路16选择为PNP型电子开关电路。

其中，第一开关电路14根据第一控制极141输入的高电平信号导通，第一开关电路14导通使第二控制极151为低电平，第二开关电路15断开；或者，第一开关电路14根据第一控制极141输入的低电平信号截止，第一开关电路14截止则第二控制极151通过第一负载极142接入为高电平，第二开关电路15导通。

根据本申请的一实施例，第三开关电路16根据第三控制极161输入的低电平信号导通，在第二开关电路15断开时，第三开关电路16向输出端12输出高电平信号，或者在第二开关电路15导通时，第三开关电路16向输出端12输出低电平信号；或者，第三开关电路16根据第三控制极161输入的高电平信号断开，在第二开关电路15断开时，第三开关电路16向输出端12输出低电平信号，或者在第二开关电路15导通时，第三开关电路16向输出端12输出低电平信号。

根据本申请的一实施例，第二开关电路15与第三开关电路16的负载回路串联。也就是说，第二开关电路15的第二负载极152与第三开关电路16的第三负载极162直接相连，两者之间可用于连接至输出端12。

根据本申请的一实施例，第一开关电路14的控制晶体管为NPN型的第一三极管Q1，第一开关电路14设置有位于第一控制极141的限流电阻R1，以及分压电阻R2，分压电阻R2一端连接于第一控制极141，另一端接地。第一三极管Q1的第一负载极142(或称为集电极)通过上拉电阻R3连接开关电源。

根据本申请的一实施例，第二开关电路15的控制晶体管为NPN型的第二三极管Q2，第二开关电路15设置有位于第二控制极151的限流电阻R4，以及分压电阻R5，分压电阻R5一端连接于第二控制极151，另一端接地。第二三极管Q2的第二负载极152(或称为集电极)通过第三开关电路16连接开关电源。根据本申请的一实施例，根据本申请的一实施例，第一开关电路14的开关电源可通过第二开关电路15的控制极151上的限流电阻以及分压电阻接地。

根据本申请的一实施例，第三开关电路16的控制晶体管为PNP型的第三三极管Q3，第三开关电路16设置有位于第三控制极161的限流电阻R6，以及上拉电阻R7。第三三极管Q3的第三负载极162(或称为集电极)连接至输出端12，第三发射级163通过上拉电阻R8连接开关电源。第三开关电路16的第三控制极161通过上拉电阻连接开关电源，该上拉电阻与第三控制极161上的限流电阻串联。第二开关电路15并联有分压电阻R9。第三负载极162可通过分压电阻R9接地。

一实施例，第一开关电路14以及第三开关电路16的开关电源的电压高于输入端11以及互锁信号输入端13的电压。

本申请中此电路采用较少的电子元器件，以三极管为核心器件，不仅能避免智能功率模块3模块内部的同一桥臂的上下IGBT管同时导通造成的短路故障，提高了功率电路的可靠性，而且成本低，结构简单。

以下参照图2对本申请的一具体实施例示例性说明如下：

如图中所示意，图中微控制单元2可以是智能控制器(MCU)，图中示意了一个桥臂的第一控制端21与第二控制端22。而对应的智能功率模块3具有对应的第一功率端31与第二功率端32。第一控制端21通过互锁电路1信号连接第一功率端31，第二控制端22通过另外互锁电路1信号连接第二功率端32。

该电路三极管和电阻组成。第一三极管Q1、第二三极管Q2为NPN型三极管，NPN型三极管作为开关使用，当Uc>Ub>Ue,且Ube>＝Uon(开启电压)时，NPN型三极管导通，反之关断；第三三极管Q3为PNP型三极管，PNP型三极管作为开关使用，当Uc<Ub<Ue,且Ueb>＝Uon(开启电压)时，NPN型三极管导通，反之关断。R1、R4、R6分别为NPN型第一三极管Q1、NPN型第二三极管Q2、PNP型第三三极管Q3的限流电阻。

输入信号为微控制单元2同时发出的UP_PWM和UN_PWM，一般微控制单元2的I/O供电电压为3.3V，因此本申请中3.3V电平称之为高电平，0V电平称之为低电平；输出信号为UP。UP_PWM通过限流电阻R1连接至NPN型第一三极管Q1的基极端，电阻R2的端电压等于NPN型第一三极管Q1的Ube1，第一三极管Q1发射极接地，第一三极管Q1的集电极上拉电阻R3至电源+5V，同时第一三极管Q1的集电极还通过限流电阻R4连接至NPN型第一三极管Q1的基极端，电阻R5的端电压等于第二三极管Q2的Ube2，第二三极管Q2的发射极接地，第二三极管Q2的集电极与PNP型第三三极管Q3的集电极连接至一处作为输出端UP，UN_PWM通过限流电阻R6连接至第三三极管Q3的基极端，第三三极管Q3的基极通过上拉电阻R7至电源+5V，第三三极管Q3的发射极上拉电阻R8至电源+5V。

图1功能描述：该电路可实现的功能如表1真值表所示。

(INPUT)UP_PWM	(INPUT)UN_PWM	(OUTPUT)UP
			H	L	H
L	H	L
			H	H	L
L	L

表1

1)当微控制单元2同时发出高电平的UP_PWM和低电平的UN_PWM：因UP_PWM为高电平，则NPN型第一三极管Q1的Ube1>＝Uon，第一三极管Q1导通；第一三极管Q1导通后，NPN型第二三极管Q2的Ube2<Uon，第二三极管Q2断开；因UN_PWM为低电平，则PNP型三极管的Ueb>＝Uon，第三三极管Q3导通，因此输出信号UP的电压为高电平[UP＝5*R9/(R8+R9)]。

2)当微控制单元2同时发出低电平的UP_PWM和高电平的UN_PWM：因UP_PWM为低电平，则NPN型第一三极管Q1的Ube1<Uon，第一三极管Q1关断；第一三极管Q1关断后，NPN型第二三极管Q2的Ube2>＝Uon,其中Ube2＝5*R5/(R3+R4+R5)，第二三极管Q2导通；因UN_PWM为高电平，则PNP型第三三极管Q3的Ueb<Uon，第三三极管Q3断开，因此输出信号UP的电压为低电平(UP＝NPN型三极管的导通管压降Vce2)。

3)当微控制单元2同时发出高电平的UP_PWM和高电平的UN_PWM：因UP_PWM为高电平，则NPN型第一三极管Q1的Ube1>＝Uon，第一三极管Q1导通；第一三极管Q1导通后，NPN型第二三极管Q2的Ube2<Uon，第二三极管Q2断开；因UN_PWM为高电平，则PNP型第三三极管Q3的Ueb<Uon，第三三极管Q3断开，因此UP的电压为低电平。

4)当微控制单元2同时发出低电平的UP_PWM和低电平的UN_PWM：因UP_PWM为低电平，则NPN型第一三极管Q1的Ube1<Uon，第一三极管Q1关断；第一三极管Q1关断后，NPN型第二三极管Q2的Ube2>＝Uon,其中Ube2＝5*R5/(R3+R4+R5)，第二三极管Q2导通；因UN_PWM为低电平，则PNP型三极管的Ueb>＝Uon，第三三极管Q3导通，因此输出信号UP的电压为低电平(UP＝NPN型三极管的导通管压降Vce2)。

图2是图1的应用图，具体显示了智能功率模块3的同一桥臂的驱动互锁电路。图中的智能功率模块3内部集成6个IGBT管，UP和UN分别为同一上桥臂的上下IGBT管的驱动信号，且对应的驱动信号为高电平时才能导致对应的IGBT管开通。

(INPUT)UP_PWM	(INPUT)UN_PWM	(OUTPUT)UP	(OUTPUT)UN
				H	L	H	L
L	H	L	H
				H	H	L	L
L	L	L	L

表2图2的真值表

综上所述，本申请的智能功率模块3驱动互锁电路有以下技术效果：同一桥臂的驱动信号(UP、UN)不可能同时为高电平，即同一桥臂的上下IGBT管不可能同时导通，避免了同一桥臂上下IGBT管直通造成的短路故障，提高了功率电路的安全性、可靠性；并且该电路采用较少的电子元器件，以三极管为核心器件，不仅成本低，而且结构简单，易于实现。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (15)

1.一种智能功率模块的驱动互锁电路(1)，其特征在于，所述互锁电路(1)包括多个晶体管开关电路，所述互锁电路(1)包括输入端(11)、输出端(12)以及互锁信号输入端(13)；

所述输入端(11)用于连接一个桥臂的第一控制端(21)；所述输出端(12)用于连接至第一功率端(31)；所述互锁信号输入端(13)用于连接上述桥臂的第二控制端(22)；所述输入端(11)的控制信号经所述互锁电路传输至所述输出端(12)；在所述输入端(11)及所述互锁信号输入端(13)同时输入高电平时，所述互锁电路通过所述输出端(12)输出为低电平。

2.如权利要求1所述的智能功率模块的驱动互锁电路，其特征在于，所述互锁电路包括第一开关电路(14)、第二开关电路(15)以及第三开关电路(16)；

所述第一开关电路(14)的第一控制极(141)连接所述输入端(11)，所述第一开关电路(14)的第一负载极(142)用于接至所述第二开关电路(15)；

所述第二开关电路(15)的第二控制极(151)连接于所述第一负载极(142)，所述第二开关电路(15)的第二负载极(152)接至输出端(12)；

所述第三开关电路(16)的第三控制极(161)连接所述互锁信号输入端(13)，所述第三开关电路(16)的第三负载极(162)用于接至所述第二负载极(152)及输出端(12)。

3.如权利要求2所述的智能功率模块的驱动互锁电路，其特征在于，所述第三开关电路(16)与所述第一开关电路(14)以及第二开关电路(15)的极性相反。

4.如权利要求2所述的智能功率模块的驱动互锁电路，其特征在于，所述第一开关电路(14)根据所述第一控制极(141)输入的高电平信号导通，所述第一开关电路(14)导通使所述第二控制极(151)为低电平，所述第二开关电路(15)断开；或者

所述第一开关电路(14)根据所述第一控制极(141)输入的低电平信号截止，所述第一开关电路(14)截止则第二控制极(151)通过第一负载极(142)接入为高电平，所述第二开关电路(15)导通。

5.如权利要求4所述的智能功率模块的驱动互锁电路，其特征在于，所述第三开关电路(16)根据所述第三控制极(161)输入的低电平信号导通，在所述第二开关电路(15)断开时，所述第三开关电路(16)向所述输出端(12)输出高电平信号，或者在所述第二开关电路(15)导通时，所述第三开关电路(16)向所述输出端(12)输出低电平信号；或者

所述第三开关电路(16)根据所述第三控制极(161)输入的高电平信号断开，在所述第二开关电路(15)断开时，所述第三开关电路(16)向所述输出端(12)输出低电平信号，或者在所述第二开关电路(15)导通时，所述第三开关电路(16)向所述输出端(12)输出低电平信号。

6.如权利要求2所述的智能功率模块的驱动互锁电路，其特征在于，所述第一开关电路(14)及所述第二开关电路(15)为NPN型电子开关电路；所述第三开关电路(16)为PNP型电子开关电路。

7.如权利要求6所述的智能功率模块的驱动互锁电路，其特征在于，所述第二开关电路(15)与所述第三开关电路(16)的负载回路串联。

8.如权利要求6所述的智能功率模块的驱动互锁电路，其特征在于，所述第一开关电路(14)及所述第二开关电路(15)均设有分压电阻。

9.如权利要求6所述的智能功率模块的驱动互锁电路，其特征在于，所述第一开关电路(14)、第二开关电路(15)以及第三开关电路(16)均设有位于控制极的限流电阻。

10.如权利要求6所述的智能功率模块的驱动互锁电路，其特征在于，所述第一开关电路(14)以及第三开关电路(16)均设有上拉电阻。

11.如权利要求2至10任一项所述的智能功率模块的驱动互锁电路，其特征在于，所述第一开关电路(14)以及第三开关电路(16)的开关电源的电压高于所述输入端(11)以及互锁信号输入端(13)的电压。

12.如权利要求2至10任一项所述的智能功率模块的驱动互锁电路，其特征在于，所述第二开关电路(15)并联有分压电阻。

13.如权利要求2至10任一项所述的智能功率模块的驱动互锁电路，其特征在于，所述第三开关电路(16)的第三控制极(161)通过上拉电阻连接开关电源，该上拉电阻与第三控制极(161)上的限流电阻串联。

14.如权利要求2至10任一项所述的智能功率模块的驱动互锁电路，其特征在于，所述第一开关电路(14)的开关电源通过所述第二开关电路(15)的控制极(151)上的限流电阻以及分压电阻接地。

15.一种智能功率模块，其特征在于，包括多个桥臂，各桥臂均具有第一控制端(21)以及第二控制端(22)；

其中至少一个桥臂的所述第一控制端(21)以及所述第二控制端(22)均设有如权利要求1-13任一项所述的智能功率模块的驱动互锁电路。