CN110868086B - 智能功率模块及空调器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种智能功率模块及空调器，该智能功率模块包括：引线框架，所述引线框架上形成有多个基岛，各个所述基岛相互间隔设置；三相低压驱动功率模组，设于一个或者多个所述基岛上；以及三相高压驱动功率模组，每一相高压驱动功率模组设于一所述基岛。本发明降低了高压侧的电杂讯或脉冲从上桥功率器件和下桥功率器件回窜至低压侧的低压驱动模组的可能性。

Description

智能功率模块及空调器

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及空调器。

背景技术

智能功率模块内设置有高压驱动电路、低压驱动电路，以及上桥臂开关管和下桥臂开关管。开关管的栅极与驱动电路连接，开关管的集电极耦接至高电压，开关管的发射极耦接至负载。智能功率模块通常是将低压侧的驱动电路与高压侧的驱动电路集成于一个芯片中，上桥臂开关管和下桥臂开关管则以锡焊接合方式组装于同一个载体，例如基板上。然而，当高电压VH大于1200V时，这种组装方式不符合高压侧与低压侧之间的隔离要求。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种智能功率模块及空调器，旨在高压侧驱动和低压侧之间相互隔离。

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：

引线框架，所述引线框架上形成有多个基岛，各个所述基岛相互间隔设置；

三相低压驱动功率模组，设于一个或者多个所述基岛上；以及，

三相高压驱动功率模组，每一相高压驱动功率模组设于一所述基岛。

可选地，每一相所述低压驱动功率模组包括一个低压驱动芯片和一个低压功率管；

所述低压功率管设置于所述基岛上，所述低压驱动芯片叠设于所述低压功率管上。

可选地，所述智能功率模块还包括第一直流电源，所述第一直流电源用于为三相所述低压驱动功率模组的低压驱动芯片供电。

可选地，每一所述低压功率管包括受控端焊垫，每一所述低压驱动芯片包括驱动端焊垫；

所述低压驱动芯片的驱动端焊垫与所述低压功率管的受控端焊垫通过金属绑线连接；

所述低压功率管与所述低压驱动芯片之间通过绝缘粘合剂固定连接。

可选地，每一相所述高压驱动功率模组包括一个高压驱动芯片和一个高压功率管；

所述高压功率管设置于所述基岛上，所述高压驱动芯片叠设于所述高压功率管上。

可选地，所述智能功率模块还包括多个第二直流电源，每一所述第二直流电源对应为三相所述高压驱动功率模组中的一个高压驱动芯片供电。

可选地，每一所述高压功率管包括受控端焊垫，每一所述高压驱动芯片包括驱动端焊垫；

所述高压驱动芯片的驱动端焊垫与所述高压功率管的受控端焊垫通过金属绑线连接；

所述高压功率管与所述低压驱动芯片之间通过绝缘粘合剂固定连接。

可选地，所述智能功率模块还包括绝缘介质，所述绝缘介质设置于所述三相低压驱动功率模组与三相所述高压驱动功率模组之间；

所述绝缘介质还设置于三相所述高压驱动功率模组之间。

可选地，所述智能功率模块还包括外壳，所述基岛和多个驱动功率模组设于所述外壳内，所述外壳内充设有绝缘介质。

本发明还提出一种空调器，包括如上所述的智能功率模块。

本发明智能功率模块通过设置引线框架，引线框架上形成有多个基岛，各个基岛相互间隔设置；将三相低压驱动功率模组设于一个或者多个所述基岛上；以及三相高压驱动功率模组中的每一相高压驱动功率模组设于一基岛。从而使多个驱动功率模组之间相互隔离。本发明降低了高压侧的电杂讯或脉冲从上桥功率器件和下桥功率器件回窜至低压侧的低压驱动模组的可能性。

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一实施例的截面示意图；

图3为本发明智能功率模块一实施例的电路结构示意图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				10	引线框架	12	第二基岛
20	低压驱动功率模组	Q11～Q13	低压功率管
				30	高压驱动功率模组	U11～U13	低压驱动芯片
40	封装壳体	Q21～Q23	高压功率管
				50	引脚	U21～U23	高压驱动芯片
11	第一基岛

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。

本发明提出一种智能功率模块。

智能功率模块，即IPM(Intelligent Power Module)，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高压驱动电路集成在一起，并内藏有过电压、过电流和过热等故障检测电路。智能功率模块一方面接收MCU的控制信号，驱动后续电路工作，另一方面将系统的状态检测信号送回MCU。与传统分立方案相比，智能功率模块以其高集成度、高可靠性等优势赢得越来越大的市场，尤其适合于驱动电机的变频器及各种逆变电源，是变频调速，冶金机械，电力牵引，伺服驱动，变频家电的一种理想电力电子器件。

智能功率模块内设置有高压驱动电路、低压驱动电路，以及上桥臂开关管和下桥臂开关管。开关管的栅极与驱动电路连接。开关管的集电极耦接至高电压。开关管的发射极耦接至负载。依据低电压的控制信号，驱动电路可以对应控制开关管的导通状态。当开关管导通时，高电压可以经由开关供电给负载(例如电机)。开关管需耐高电压以及耐大电流。一般而言，驱动电路的工作电压为低电压，而开关管的工作电压为高电压。在实际应用过程中，高压侧的电杂讯或脉冲会经由上桥臂开关管和下桥臂开关管之间的电流回路而从下桥臂开关管回窜至低压驱动电路。此电杂讯或脉冲可能会影响控制低压驱动电路的正常工作，甚至会烧毁驱动电路。再者，智能功率模块通常是将低压侧的驱动电路与高压侧的驱动电路集成于一个芯片中，上桥臂开关管和下桥臂开关管则以锡焊接合方式组装于同一个载体，例如基板上。然而，当高电压VH大于1200V时，则容易使低压侧电路与高压侧电路配置于同一个电路板而可能造成开关管生电性回冲现象，造成驱动芯片损坏。

为了解决上述问题，参照图1，在本发明一实施例中，该智能功率模块包括：

引线框架10，所述引线框架10上形成有多个基岛，各个所述基岛相互间隔设置；

三相低压驱动功率模组20，设于一个或者多个所述基岛上；以及，

三相高压驱动功率模组30，每一相高压驱动功率模组30设于一所述基岛。

本实施例中，三相低压驱动功率模组20中设置有三相下桥臂功率管和三相高压驱动功率模组30中设置有三相下桥臂功率管构成三相逆变桥电路，智能功率模块可以包括上桥臂开关管、下桥臂开关管两个开关管组成的一路桥臂电路，在该实施例中三相桥臂电路可以包括六个功率管，六个功率管组成三相逆变电路，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。其中，三相上桥臂开关管为三相高压驱动，三相下桥臂开关管为三相低压驱动。

也可以包括上桥臂开关管、下桥臂开关管和横桥臂开关管(或者称为中桥臂开关管)四个开关管组成的一路桥臂电路，也即每一相三电平智能功率模块包括四个功率管。本实施例中，可以将单相三电平的四个驱动功率模组与封装壳体40、外壳封装成一个单相智能功率模块整体。也可以将十二个驱动功率模组集成于同一个封装壳体40内，并与外壳封装成一个三相桥臂电路的智能功率模块整体，具体可以根据实际应用的需求进行设置，此处不做限制。三电平智能功率模块可选为T型三电平智能功率模块。在该实施例中，每一相所述三电平智能功率模块包括上桥臂驱动功率模组、下桥臂驱动功率模组及中桥臂驱动功率模组，所述上桥臂驱动功率模组与所述下桥臂驱动功率模组串联设置；所述中桥臂驱动功率模组与所述上桥臂驱动功率模组和所述下桥臂驱动功率模组的公共端连接。也即中桥臂驱动功率模组中包括两个反并联设置的两个功率管和分别驱动两个功率管工作的驱动芯片。

其中，引线框架10包括第一基岛11及多个第二基岛12；三相所述低压驱动功率模组设置于所述第一基岛11上；每一所述第二基岛12上设置有一相所述高压驱动功率模组30。三相所述低压驱动功率模组、三相所述高压驱动功率模组30之间通过独立的基岛来实现相互之间的间隔设置，该基岛可以实现低压驱动功率模组、三相所述高压驱动功率模组30之间的电气隔离，从而避免高压驱动对低压驱动因为压差过大而损坏低压驱动，影响低压驱动的正常工作，降低内部高压侧对低压侧的干扰影响。同时将三相高压驱动模组分开设置，增大三相高压驱动模组的电气间距，还可以避免高压驱动功率模组30之间的相互干扰。三相所述高压驱动功率模组30之间，以及与三相低压驱动功率模组20之间相互间隔的距离可以根据高低压之间的隔离需求进行设置，智能功率模块驱动的负载电压越高，三相所述低压驱动功率模组、三相所述高压驱动功率模组30之间的间距则设置得越大。通过将三相所述低压驱动功率模组、三相所述高压驱动功率模组30之间相互间隔设置，可以增加高压侧驱动功率模组和低压侧驱动功率模组之间的物理距离，从而实现高压侧驱动功率模组和低压侧驱动功率模组之间相互隔离，以及高压侧驱动功率模组之间的相互隔离，以避免高压侧的信号对低压侧产生噪声干扰。

本发明智能功率模块通过设置引线框架10，引线框架10上形成有多个基岛，各个基岛相互间隔设置；将三相低压驱动功率模组20设于一个或者多个所述基岛上；以及三相高压驱动功率模组30中的每一相高压驱动功率模组30设于一基岛。从而使多个驱动功率模组之间相互隔离。本发明降低了高压侧的电杂讯或脉冲从上桥功率器件和下桥功率器件回窜至低压侧的低压驱动模组的可能性。

参照图1，在一实施例中，每一相所述低压驱动功率模组包括一个低压驱动芯片U11和一个低压功率管Q11；

所述低压功率管Q11设置于所述第一基岛11上，所述低压驱动芯片U11叠设于所述低压功率管Q11上。

低压功率管可以是氮化镓(GaN)功率管、Si基功率管或SiC基功率管，具体可选为IGBT管或者耐高压的MOSFET、HEMT等。其中，IGBT管可选为RC-IGBT(内部耦合反向二极管)，在采用RC-IGBT来实现时，由于无需二次反并联二极管，可以简化智能功率模块的结构，进而缩小智能功率模块的体积，并且可以减少元件的使用，使得元件的贴片、封装更加简便。在智能功率模块工作时，驱动芯片输出相应的PWM控制信号，以驱动控制功率管导通/截止，从而输出驱动电能，以驱动电机等负载工作。其中，IGBT管芯片可以根据实际应用集成FRD管或不集成FRD管，通过叠片组装方式把驱动芯片和IGBT管芯片组装成一个单元，单元可以通过塑封工艺和瓷覆铜基板封装成一个驱动功率模组，驱动功率模组再与其他功率模组一起封装成一个整体的智能功率模块，驱动功率模组之间通过间距设置的方式增加空间距离，从而实现高低压之间的隔离。

参照图1，在一实施例中，每一相所述高压驱动功率模组30包括一个高压驱动芯片U21和一个Q21；

所述高压功率管Q21设置于所述第二基岛12上，所述高压驱动芯片U21叠设于所述高压功率管Q21上。

可以理解的是，上述驱动芯片和功率管可以采用裸晶圆来实现，也可以采用经过封装后的贴片元件来实现。低压驱动芯片U11贴靠于功率管上，具体可以是叠设于功率管上。本实施例中，高压功率管可以是氮化镓(GaN)功率管、Si基功率管或SiC基功率管，具体可选为IGBT管或者耐高压的MOSFET、HEMT等。其中，IGBT管可选为RC-IGBT(内部耦合反向二极管)，在采用RC-IGBT来实现时，由于无需二次反并联二极管，可以简化智能功率模块的结构，进而缩小智能功率模块的体积，并且可以减少元件的使用，使得元件的贴片、封装更加简便。在智能功率模块工作时，驱动芯片输出相应的PWM控制信号，以驱动控制功率管导通/截止，从而输出驱动电能，以驱动电机等负载工作。其中，IGBT管芯片可以根据实际应用集成FRD管或不集成FRD管，通过叠片组装方式把驱动芯片和IGBT管芯片组装成一个单元，单元可以通过塑封工艺和基岛封装成一个驱动功率模组，驱动功率模组再与其他功率模组一起封装成一个整体的智能功率模块，驱动功率模组之间通过间距设置的方式增加空间距离，从而实现高低压之间的隔离。

参照图1，在一实施例中，所述智能功率模块还包括第一直流电源VCC1，所述第一直流电源VCC1用于为三相所述低压驱动功率模组的低压驱动芯片U11供电。

所述智能功率模块还包括多个第二直流电源VCC2，每一所述第二直流电源VCC2对应为三相所述高压驱动功率模组30中的一个高压驱动芯片U21供电。

本实施例中，低压驱动功率模组中的三个低压驱动芯片U11采用第一直流供电，低压驱动功率模组中的三个低压驱动芯片U11各自采用一个独立的电源供电。如设置，可以对三相低压驱动功率模组20和三相高压驱动功率模组30之间的电源实现隔离，以及三相高压驱动功率模组30之间的电源实现隔离，以给各个驱动芯片提供稳定的电源，防止高压侧的电源对低压侧的电源产生干扰。

参照图1和图3，在一实施例中，每一所述低压功率管Q11包括受控端焊垫，每一所述低压驱动芯片U11包括驱动端焊垫；

所述低压驱动芯片U11的驱动端焊垫与所述低压功率管Q11的受控端焊垫通过金属绑线连接；

所述低压功率管Q11与所述低压驱动芯片U11之间通过绝缘粘合剂固定连接。

每一所述高压功率管Q21包括受控端焊垫，每一所述高压驱动芯片U21包括驱动端焊垫；

所述高压驱动芯片U21的驱动端焊垫与所述高压功率管Q21的受控端焊垫通过金属绑线连接；

所述高压功率管Q21与所述低压驱动芯片U11之间通过绝缘粘合剂固定连接。

本实施例中，每个功率管(Q11、Q12、Q13、Q21、Q22、Q23中的任意一个)的受控端焊垫位于所述功率管背离所述基岛的一侧，所述驱动芯片(U11、U12、U13、U21、U22、U23中的任意一个)的驱动端焊垫位于所述驱动芯片背离所述基岛的一侧，所述驱动芯片的驱动端焊垫与所述功率管的受控端焊垫通过金属绑线连接。功率管的受控端、驱动芯片包括驱动端焊垫在内的所有焊垫均相对安装载体朝上设置，也即背离安装载体设置，驱动芯片的驱动端焊垫和功率管的受控端焊垫通过金属绑线和焊锡固定连接，其中金属绑线可以是银质、金质金属线，或者为铜线。功率管的输入端焊垫和输出端焊垫可以朝上设置，也可以朝下设置，本实施例可选为朝上设置功率管和驱动芯片的其他焊垫均通过金属绑线与引线框架10形成的焊盘连接。可以理解的是，上述驱动芯片和功率管可以采用裸晶圆来实现，也可以采用经过封装后的贴片元件来实现。每一驱动芯片叠设于一功率管上，如此设置，使得功率管与驱动芯片形成堆叠结构而一体设置，可以缩短功率管和驱动芯片之间的空间距离。基岛上可以减少驱动芯片的安装位的设置，从而增加各个驱动功率模组在基岛上的布局面积，可以进一步地增加高压侧与低压侧之间的爬电距离，进而增大高压侧和低压侧之间的安全距离，有利于防止高压侧与低压侧之间由于距离过小而产生干扰的问题。驱动芯片堆叠于功率管上，驱动芯片与功率管之间的电路走线较短，使得驱动芯片能够更快更有效的监控功率管的工作状态，例如是否发热严重，进而及时动作，以避免智能功率模块被损坏，提高系统的可靠性。缩短了功率管与驱动芯片之间焊线和引线的物理连接距离，减少了由焊线和引线引入的寄生电感。

将三个低压驱动芯片U11、U12、U13三个低压功率管Q11、Q12、Q13设置在一个基岛11上，将三个高压功率管Q21、Q22、Q23设置三个基岛121、122、123上，再将各自的高压驱动芯片U21、U22、U23叠设在高压功率管Q21、Q22、Q23上，这样可以将高压驱动芯片U21和高压功率管形成一个独立的单元，而低压驱动芯片U11和低压功率管形成一个独立的单元，可以满足高压与低压之间的隔离。同时相较于高压驱动芯片U21和低压驱动芯片U11之间；高压功率管和低压功率管之间；高压驱动芯片U21与低压功率管之间；高压驱动芯片U21与高压驱动芯片U21之间，以及高压功率管与高压功率管之间，都要进行隔离的隔离方案中，本实施例仅需将对各个驱动功率模组进行隔离，从而可以减少隔离的工序，并且有利于提高隔离效果。

参照图1和图2，在一实施例中，所述智能功率模块还包括绝缘介质，所述绝缘介质设置于所述三相低压驱动功率模组20与三相所述高压驱动功率模组30之间；

所述绝缘介质还设置于三相所述高压驱动功率模组30之间，以形成封装壳体40。

本实施例中，封装壳体40可以采用环氧树脂、氧化铝、二氧化硅等材材料制成。在制作封装壳体40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40材料进行轧制成形，以形成封装壳体40，再将驱动功率模组封装在封装壳体40内。智能功率模块可以采用全包封封装或者半包封封装的封装模式对驱动功率模组及基岛进行封装。

本发明将每一驱动芯片叠设于一功率管上，并通绝缘介质将驱动功率模组之间进行介质绝缘，并形成封装后的智能功率模块。如此设置，通过封装的绝缘隔离，可以有效地提高智能功率模块内部的抗干扰能力强，适用于高压驱动的电机驱动、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、伺服驱动等功能，尤其适用于驱动空调、冰箱等压缩机和风机的电机工作。

参照图1和图2，在一实施例中，所述智能功率模块还包括外壳，所述外壳罩设于所述封装壳体40外。

本实施例中，外壳可选采用PPS材料、PBT材料等塑料形成的壳体来实现。在对智能功率模块进行塑封时，将安装有驱动功率模组的基岛放置于外壳内，然后在外壳内中注入封装材料，以在成型后形成封装壳体40，将驱动功率模组和基岛封装在封装壳体40内。如此，可以实现对驱动芯片进行绝缘处理，以及提高智能功率模块的EMI性能。通过在外壳内填充塑封胶，可以将驱动功率模组、基岛等形成一个整体的智能功率模块，通过塑封胶的绝缘填充，可以实现高压侧驱动功率模组和低压侧驱动功率模组之间的隔离。

参照图2，在一实施例中，所述智能功率模块还包括引脚50，功率管和驱动芯片的电源端、信号端、输入端等通过引线和引脚接入外部工作信号而工作，驱动芯片基于外部信号的控制，并根据接收到的控制信号产生对应的功率驱动信号，从而驱动智能功率模块中的功率管工作。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，通过金属引线与功率管、驱动芯片实现电气连接。在另一实施例中，各个引脚50的一端固定于所述封装壳体40内上，引脚50的另一端朝远离所述铝基板的方向延伸，引脚50的延伸方向与所述基岛所在的平面平行。

本发明还提出一种空调器，包括如上所述的智能功率模块。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 (8)

1.一种智能功率模块，其特征在于，所述智能功率模块包括：

引线框架，所述引线框架上形成有多个基岛，各个所述基岛相互间隔设置；

三相低压驱动功率模组，设于一个或者多个所述基岛上，每一相所述低压驱动功率模组包括一个低压驱动芯片和一个低压功率管；

所述低压功率管设置于所述基岛上，所述低压驱动芯片叠设于所述低压功率管上；以及，

三相高压驱动功率模组，每一相所述高压驱动功率模组设于一所述基岛；每一相所述高压驱动功率模组包括一个高压驱动芯片和一个高压功率管；

所述高压功率管设置于所述基岛上，所述高压驱动芯片叠设于所述高压功率管上。

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直流电源，所述第一直流电源用于为所述三相低压驱动功率模组的低压驱动芯片供电。

3.如权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，每一所述低压功率管包括受控端焊垫，每一所述低压驱动芯片包括驱动端焊垫；

所述低压驱动芯片的驱动端焊垫与所述低压功率管的受控端焊垫通过金属绑线连接；

所述低压功率管与所述低压驱动芯片之间通过绝缘粘合剂固定连接。

4.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多个第二直流电源，每一所述第二直流电源对应为所述三相高压驱动功率模组中的一个高压驱动芯片供电。

5.如权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，每一所述高压功率管包括受控端焊垫，每一所述高压驱动芯片包括驱动端焊垫；

所述高压驱动芯片的驱动端焊垫与所述高压功率管的受控端焊垫通过金属绑线连接；

所述高压功率管与所述低压驱动芯片之间通过绝缘粘合剂固定连接。

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绝缘介质，所述绝缘介质设置于所述三相低压驱动功率模组与所述三相高压驱动功率模组之间；

所述绝缘介质还设置于三相所述高压驱动功率模组之间。

7.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外壳，所述基岛和多个驱动功率模组设于所述外壳内，所述外壳内充设有绝缘介质。

8.一种空调器，其特征在于，包括如权利要求1至7任意一项所述的智能功率模块。

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