CN110112111A - 智能功率模块、电控板及空调器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种智能功率模块、电控板及空调器，该智能功率模块包括：安装基板，安装基板具有安装位；功率组件，功率组件设置于安装基板对应的安装位上；封装壳体，将安装基板和功率组件封装于一体；温度传感器，温度传感器设置于封装壳体上，靠近功率组件的一侧，以采集智能功率模块的温度。本发明实现了实时监控智能功率模块内部的温度分布及热应变参数。

Description

智能功率模块、电控板及空调器

技术领域

本发明涉及电子电路技术领域，特别涉及一种智能功率模块、电控板及空调器。

背景技术

智能功率模块在启动运行时，芯片内部以及模块内电气连线可能会积聚大量的热量，而使得内部温度过高产生热应变，这将对对智能功率模块的性能和使用寿命产生极大的危害。因此，能够准确测量工作状态下智能功率模块内部的温度分布及热应变等参数非常重要。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种智能功率模块、电控板及空调器，旨在解决实时监控智能功率模块内部的温度分布及热应变参数。

为实现上述目的，本发明提出一种智能功率模块，所述智能功率模块包括：

安装基板，所述安装基板具有安装位；

功率组件，所述功率组件设置于所述安装基板对应的安装位上；

封装壳体，将所述安装基板和功率组件封装于一体；

温度传感器，所述温度传感器设置于所述封装壳体上，靠近所述功率组件的一侧，以采集所述智能功率模块的温度。

可选地，所述温度传感器为薄膜热电偶。

可选地，所述功率组件包括驱动芯片和多个功率开关管，所述驱动芯片与多个所述功率开关管通过金属线和所述安装基板上对应的安装位电连接。

可选地，多个所述功率开关管构成所述PFC功率开关模块、压缩机功率模块及风机功率模块中的一种或者多种组合。

可选地，所述智能功率模块还包括引脚，所述引脚设置于所述安装基板上，且通过金属线与所述功率组件电连接。

可选地，所述智能功率模块还包括散热器，所述散热器设置于所述安装基板背离所述功率组件的一侧。

本发明还提出一种电控板，所述电控板包括主控芯片及如上所述的智能功率模块，所述主控芯片与所述智能功率模块电连接。

可选地，所述智能功率模块的温度传感器与所述主控芯片无线连接，以将采集的温度输出至所述主控芯片。

可选地，所述智能功率模块的驱动芯片与温度传感器通过金属引线电连接，所述驱动芯片还通过引脚与所述主控芯片电连接，以将所述温度传感器采集的温度输出至所述主控芯片。

本发明还提出一种空调器，所述空调器包括如上所述的智能功率模块，或者，包括如上所述的电控板。

本发明智能功率模块将功率组件设置于安装基板对应的安装位上，功率组件中其他电子元器件所工作时产生的热量直接传导至封装壳体上，或者通过安装基板传导至封装壳体上，从而进行快速散热，以提高功率组件的散热速度。在这个过程中，设置于封装壳体上的温度传感器将检测功率组件工作时产生的热量，以获取智能功率模块的内部温度，使得智能功率模块在寒冷或者炎热等极端环境下能够及时获取智能功率模块内部的温度分布。本发明实现了实时监控智能功率模块内部的温度分布及热应变等参数。

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为本发明智能功率模块一实施例的结构示意图；

图2为本发明智能功率模块另一实施例的结构示意图；

图3为本发明智能功率模块又一实施例的结构示意图；

图4为本发明智能功率模块应用电控板中一实施例的功能模块示意图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				10	安装基板	12	电路布线层
20	功率组件	13	绝缘层
				30	封装壳体	21	功率器件
40	温度传感器	22	主控芯片
				50	引脚	23	PFC功率开关管
60	散热器	100	主控制器
				11	基板	200	智能功率模块

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。

本发明提出一种智能功率模块。

该智能功率模块，即IPM(Intelligent Power Module)适用于驱动电机的变频器及各种逆变电源中，以实现变频调速、冶金机械、电力牵引、伺服驱动、变频家电等功能。尤其适用于驱动空调、冰箱等压缩机的电机工作。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驱动电路集成在一起。智能功率模块一方面接收主控制器MCU的控制信号，驱动后续电路工作，另一方面将智能功率模块系统的状态检测信号送回主控制器MCU。智能功率模块通常可能工作在较冷、较热或者高压的环境，当智能功率模块启动运行时，对于长期工作在高温、高压等恶劣环境中的智能功率模块，当智能功率模块启动运行时，芯片内部以及模块内电气连线会积聚大量的热量。而模块封装采用的树脂一般为高分子聚合物，其本身的导热性较差，从而导致智能功率模块内部的热量无法有效传导到外部，造成智能功率模块内部温度过高产生热应变等，对智能功率模块的性能和使用寿命产生极大的危害。因此，在极端环境下，能够准确测量工作状态下智能功率模块内部的温度分布及热应变等参数非常重要。

为了解决上述问题，参照图1至图3，在本发明一实施例中，该智能功率模块包括：

安装基板10，所述安装基板10设置有安装位；

功率组件20，所述功率组件20设置于所述安装基板10对应的安装位上；

封装壳体30，将所述安装基板10和功率组件20封装于一体；

温度传感器40，所述温度传感器40设置于所述封装壳体30上，以采集所述智能功率模块200的内部温度。

本实施例中，安装基板10为功率组件20的安装载体，安装基板10可以采用铝或铝质合金、铜或铜质合金等金属材料所制成的基板实现，安装基板10还可以氧化铝(Al2O3)或氮化铝(AlN)陶瓷等具有高导热散热性能的材料制得的基板，或者采用上述材料混合制作形成的基板。安装基板10的形状可以根据功率开关管的具体位置、数量及大小确定，可以为方形，但不限于方形。当然在其他实施例中，安装基板10还可以采用引线框架来实现。

功率组件20包括功率器件21，例如功率开关管可以是氮化镓(GaN)功率开关管、Si基功率开关管或SiC基功率开关管，本实施例优选采用氮化镓(GaN)功率开关管。功率开关管的数量可以为一个，也可以为多个，当设置为多个时，可以包括四个所述功率开关管，或者是四个的倍数，也可以包括六个所述功率开关管，或者六个的倍数，六个功率开关管组成逆变电路，从而应用在逆变电源、变频器、制冷设备、冶金机械设备、电力牵引设备等电器设备中，特别是变频家用电器中。在智能功率模块200工作时，驱动芯片22输出相应的PWM控制信号，以驱动控制对应的功率开关管导通/截止，从而输出驱动电能，以驱动电机等负载工作。

各个功率开关管可以是贴片式的电子元件，还可以是裸die晶圆，在多个安装基板10上设置有焊盘，多个功率元件可以通过焊锡、导电胶等粘接于对应的安装位上。

在另一实施例中，功率组件20还可以包括非功率器件，例如驱动芯片22，驱动芯片22的数量可以是一个，例如HVIC驱动芯片22，该驱动芯片22为集成芯片，其中集成了四路、六路或者三路功率开关管的驱动电路，具体可以根据驱动器件的数量进行集成设置。驱动芯片22的数量也可以是多个，多个驱动芯片22的数量与功率开关管的数量对应，每一驱动芯片22对应驱动一功率开关管工作。功率开关管与驱动芯片22之间通过电路布线层12及金属引线实现电连接，形成电流回路。在智能功率模块200工作时，驱动芯片22输出相应的控制信号，以控制对应的功率开关管导通，从而输出驱动电能，以驱动电机等负载工作，这个过程中功率开关管产生的热量传导至安装基板10上，以通过安装基板10进行散热。

安装基板10上设置有电路布线层12，电路布线层12根据智能功率模块200的电路设计，在安装基板10上形成对应的线路以及对应供功率开关管中的各电子元件安装的安装位，即焊盘。具体地，在安装基板10上设置好绝缘层13后，将铜箔铺设在绝缘层13上，并按照预设的电路设计蚀刻所述铜箔，从而形成电路布线层12。在将功率开关管中各电路模块的电子元件集成于散热基板11上的电路布线层12后，还可以通过金属绑线实现各电路模块之间的电气连接。

当散热基板11在采用氮化铝陶瓷基板来实现时，氮化铝陶瓷基板包括绝缘散热层及形成于所述绝缘散热层上的电路布线层12。在采用金属材质制成的基板时，基板包括金属散热基板、铺设在金属散热基板上的绝缘层13及形成于绝缘层13上的电路布线层12。本实施例中，安装基板10可选为单面布线板。所述绝缘层13夹设于所述电路布线层12与所述金属散热基板11之间。该绝缘层1313用于实现电路布线层12与金属散热基板11之间的电气隔离以及电磁屏蔽，以及对外部电磁干扰进行反射，从而避免外部电磁辐射干扰功率开关管正常工作，降低周围环境中的电磁辐射对智能功率模块200中的电子元件的干扰影响。

在一些实施例中，散热基板11上还可以根据散热基板11的材质设置绝缘层13，例如在散热基板11采用铝材或者铜材等具有导电性能的材质来实现时，绝缘层13可选采用热塑性胶或者热固性胶等材料制成，以实现散热基板11与电路布线层12之间的固定连接且绝缘。绝缘层13可以采用环氧树脂、氧化铝、高导热填充材料一种或多种材质混合实现的高导热绝缘层13来实现。

本实施例中，封装壳体30可以采用环氧树脂、氧化铝、导热填充材料等材料制成，其中，导热填充材料可以是氮化硼、氮化铝材质，氮化铝和氮化硼的绝缘性较好，且导热率较高，耐热性及热传导性较佳，使得氮化铝和氮化硼有较高的传热能力。在制作封装壳体30时，可以将环氧树脂、氧化铝、氮化硼或者氮化铝等材料进行混料，然后将混合好的封装材料进行加热；待冷却后，粉碎所述封装材料，再以锭粒成型工艺将封装壳体30材料进行轧制成形，以形成封装壳体30，并将温度传感器40通过贴装，镶嵌等方式固定于所述封装壳体30靠近所述功率组件20的一侧。再将电路布线层12、安装基板10、驱动芯片及功率开关管封装在封装壳体30内。或者通过多次注塑的工艺将温度传感器40固定于所述封装壳体30上后，再将电路布线层12、安装基板10、驱动芯片及功率开关管封装在封装壳体30内。

智能功率模块200中，可以将所述封装壳体30罩设于所述安装基板10及所述功率组件20上。使得铝基板的下表面裸露在封装件外，而加速功率元件的散热。若智能功率模块200还设置有散热器60来给功率开关管散热，则可以将封装壳体30包裹于所述安装基板10及所述功率组件20的外周，以使功率开关管与安装基板10及驱动芯片22一体成型设置。

本实施例中，温度传感器40设置于封装壳体30上，正对设有功率组件20的一侧，以获取智能功率模块的内部温度，使得智能功率模块200在寒冷或者炎热等极端环境下能够及时获取智能功率模块内部的温度分布，从而实时监控智能功率模块的内部温度。

本发明智能功率模块200将功率组件20设置于安装基板10对应的安装位上，功率组件20中其他电子元器件所工作时产生的热量直接传导至封装壳体30上，或者通过安装基板10传导至封装壳体30上，从而进行快速散热，以提高功率组件20的散热速度。在这个过程中，设置于封装壳体30上的温度传感器40将检测功率组件20工作时产生的热量，以获取智能功率模块200的内部温度，使得智能功率模块200在寒冷或者炎热等极端环境下能够及时获取智能功率模块200内部的温度分布。本发明实现了实时监控智能功率模块200内部的温度分布及热应变等参数。解决了对智能功率模块因为无法获知其内部温度分布，而使得不能在智能功率模块工作在极端环境下，因为高温导致其性能和使用寿命产生极大的危害。

参照图1至图3，在一实施例中，所述温度传感器40为薄膜热电偶。

本实施例中，温度传感器40可选采用薄膜热电偶来实现，薄膜热电偶可以是K型热电偶、S型热电偶、ITO/Pt热电偶中的任意一种。薄膜热电偶基于热电效应，将外界吸收的热量转化为热电势，即塞贝克电势，以实现对智能功率模块内部温度分布的检测。薄膜热电偶可以采用塑封等微电子工艺将薄膜热电偶集成在智能功率模块200封装内部，其中，薄膜热电偶厚度约为几十微米，可以实现在不额外增加模块体积的同时，对智能功率模块200中的功率组件20温度进行采集，从而可以获取高温、高压等极端条件下的智能功率模块内部的温度分布。本实施例中，薄膜热电偶可以检测工作在寒冷的环境下，智能功率模块200在启动时其内部在短时间内产生的温度，或者在高温、高压等环境下，智能功率模块200工作过程中，功率组件20中各器件的温度分布，从而实时监控智能功率模块200内部的温度分布及热应变等参数。

参照图1至图3，在一实施例中，多个所述功率开关管构成所述PFC功率开关模块、压缩机功率模块及风机功率模块中的一种或者多种组合。

本实施例中，PFC功率开关模块可以仅由PFC功率开关管23来实现，或者还与二极管、电感等其他元器件组成PFC电路来实现对直流电源的功率因素校正。PFC电路可以采用无源PFC电路来实现，以构成升压型PFC电路，或者降压型PFC电路，或者升降压型PFC电路。PFC功率开关模块将外部整流桥输出的直流电进行功率因素调整，调整后的直流电输出至各IPM模块的电源输入端，以使各功率模块驱动相应的负载工作。调整后的直流电还可以通过外部开关电源电路，产生各种数值的驱动电压，例如产生5V、15V等电压，以为各IPM的驱动IC供电。

压缩机功率模块及风机功率模块中均集成了多个功率开关管，多个功率开关管组成驱动逆变电路，例如可以由六个功率开关管组成三相逆变桥电路，或者由四个功率开关管组成两相逆变器桥电路。其中，各功率开关管可以采用MOS管或者IGBT来实现。多个功率开关管组成功率逆变桥电路，用于驱动风机、压缩机等负载工作，各个功率开关管设置在电路布线层12对应的安装位上后，可通过焊锡等导电材料与电路布线层12实现电连接，并形成电流回路。各功率开关管还可以通过倒装的工艺贴设于电路布线层12对应的安装位上，并通过电路布线层12及金属绑线与各电路元件之间形成电流回路。

参照图2或图3，在一实施例中，所述智能功率模块还包括引脚50，所述引脚50设置于所述安装基板10的电路布线层12上，且通过金属线与所述功率组件20电连接。

本实施例中，引脚50可以采用鸥翼型引脚50或者直插型引脚50来实现，本实施例优选为直插型引脚50，引脚50焊接在低导热绝缘基板上，电路布线层12对应的安装位上的焊盘位置，并通过金属线与功率开关管、驱动芯片22实现电气连接。

在另一实施例中，各个引脚50的一端固定于所述安装基板10上，引脚50的另一端朝远离所述安装基板10的方向延伸，引脚50的延伸方向与所述安装基板10所在的平面平行。

相较于鸥翼型的引脚50，本实施例引脚50与安装基板10平行设置，也即引脚50呈平铺结构，如此设置，使得在安装基板10的散热基板11嵌设于空调器中的电控板中，安装基板10的绝缘层13与电控板贴合时。智能功率模块200的引脚50通过焊锡、导电胶固定于电控板上，引脚50的延伸段与电控板贴合，进而可以防止电控板在跌落时，导致引脚50断裂。并且安装基板10部分嵌设于电控板内，使得智能功率模块200安装于电控板上，智能功率模块200与电控板的紧固性更好，进而防止智能功率模块200与电控板在搬运或者跌落的过程中，智能功率模块200与电控板发生相对运动而使电控板不能正常工作，或者导致智能功率模块200断裂而损坏智能功率模块200。

参照图3，在一实施例中，所述智能功率模块还包括散热器60，所述散热器60设置于所述铝基板背离所述功率组件20的一侧。

本实施例中，散热器60可以采用铝质、铝合金等散热效果较好的高导热材料制得，以使得功率开关管中的电子元件产生的热量通过安装基板10传导至散热器60上，进一步增大功率开关管产生的热量与空气的接触面积，提高散热速率。所述散热器60还可意设置有散热器60本体及多个散热叶片，多个所述散热叶片间隔设置于所述散热器60本体的一侧。如此设置，可以增加散热器60与空气的接触面积，也即在散热器60工作时，增加散热器60上的热量与空气的接触面积，以加快散热器60的散热速率。同时还可以减少散热器60的物料，避免散热片因材料应用过多，造成成本过高。

参照图2和图3，在一实施例中，所述功率开关管为IGBT；

所述智能功率模块200还包括快速恢复二极管，所述快速恢复二极管的数量及位置与所述IGBT对应；

所述快速恢复二极管和所述IGBT的反并联连接。

本实施例中，快速恢复二极管的数量和位置与每一功率开关管的对应，本实施例中，快速恢复二极管的数量可选为八个，八个快速恢复二极管分别标记为D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8。本实施例中，快速恢复二极管为高功率反并联二极管，用于实现功率开关管的快速关断。其中，在基于功率开关管设置为SiC MOSFET或者SiC IGBT，或者GaN HEMT器件时，将智能功率模块的开关损耗减小到较低，进而有利于节约电能、降低模块发热的情况下，快速恢复二极管可选采用Si材料制成的快速恢复二极管或者肖特基二极管来实现，可以保证智能功率模块的自身的功耗较低的同时，降低智能功率模块的生产成本。

在一些实施例中，功率元件还可以采用逆导IGBT来实现，逆导IGBT将与IGBT功率开关管反并联封装在一起的快速恢复二极管FRD集成在同一芯片上，从而降低逆变桥电路的体积。如此设置，有利于提高功率密度，降低高集成智能功率模块的体积、制造成本和封装制程，同时还有利于提高智能功率模块的可靠性。

本发明还提出一种电控板。

参照图4，所述电控板包括主控芯片100及如上所述智能功率模块200，所述主控芯片100与所述智能功率模块200电连接。

本实施例中，主控芯片100即为MCU，MCU中集成有逻辑控制器、存储器、数据处理器等，以及存储在所述存储器上并可在所述数据处理器上运行的软件程序和/或模块，MCU通过运行或执行存储在存储器内的软件程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，输出相应的控制信号至智能功率模块200的驱动芯片，使得驱动芯片根据接收到的控制信号驱动对应的功率开关管导通/关断，以驱动风机、压缩机、电机等负载工作。或者驱动PFC模块工作，从而实现对接入的直流电源进行功率因素校正。

参照图4，在一实施例中，所述智能功率模块200的温度传感器40与所述主控芯片100无线连接，以将采集的温度输出至所述主控芯片100。

本实施例中，电控板还包括无线通讯模块，例如蓝牙模块、红外模块，或者在主控芯片100和温度传感器40中集成有无线通讯模块，主控芯片100和温度传感器40通过无线通讯模块实现与温度传感器40的无线连接。

参照图4，在一实施例中，所述智能功率模块200的驱动芯片与所述温度传感器40通过金属引线电连接，所述驱动芯片还通过所述引脚50与所述主控芯片100电连接，以将所述温度传感器40采集的温度输出至所述主控芯片100。

本实施例中，温度传感器40还可以通过金属引线等，实现与驱动芯片22的电连接，驱动芯片22再通过智能功率模块200的引脚50输出反映温度的信号，如以不同的电压值反映智能功率模块200不同的内部温度，当压缩机的工作电流过高导致智能功率模块200输出的相电流过大时，智能功率模块200本体的温升会增加很快，这时如果不能得到有效的保护容易损坏模块。

本发明还提出一种空调器，所述空调器包括如上所述的智能功率模块。该智能功率模块的详细结构可参照上述实施例，此处不再赘述；可以理解的是，由于在本发明空调器中使用了上述智能功率模块，因此，本发明空调器的实施例包括上述智能功率模块全部实施例的全部技术方案，且所达到的技术效果也完全相同，在此不再赘述。

以上所述仅为本发明的可选实施例，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)

1.一种智能功率模块，其特征在于，所述智能功率模块包括：

安装基板，所述安装基板具有安装位；

功率组件，所述功率组件设置于所述安装基板对应的安装位上；

封装壳体，将所述安装基板和功率组件封装于一体；

温度传感器，所述温度传感器设置于所述封装壳体上，靠近所述功率组件的一侧，以采集所述智能功率模块的温度。

2.如权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述温度传感器为薄膜热电偶。

3.如权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述功率组件包括驱动芯片和多个功率开关管，所述驱动芯片与多个所述功率开关管通过金属线和所述安装基板上对应的安装位电连接。

4.如权利要求3所述的智能功率模块，其特征在于，多个所述功率开关管构成所述PFC功率开关模块、压缩机功率模块及风机功率模块中的一种或者多种组合。

5.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引脚，所述引脚设置于所述安装基板上，且通过金属线与所述功率组件电连接。

6.如权利要求1至5任意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散热器，所述散热器设置于所述安装基板背离所述功率组件的一侧。

7.一种电控板，其特征在于，所述电控板包括主控芯片及如权利要求1至6任意一项所述的智能功率模块，所述主控芯片与所述智能功率模块电连接。

8.如权利要求7所述的电控板，其特征在于，所述智能功率模块的温度传感器与所述主控芯片无线连接，以将采集的温度输出至所述主控芯片。

9.如权利要求7所述的电控板，其特征在于，所述智能功率模块的驱动芯片与温度传感器通过金属引线电连接，所述驱动芯片还通过引脚与所述主控芯片电连接，以将所述温度传感器采集的温度输出至所述主控芯片。

10.一种空调器，其特征在于，所述空调器包括如权利要求1至6任意一项所述的智能功率模块，或者，包括如权利要求7至9任意一项所述的电控板。