CN113824348A - 半导体电路 - Google Patents

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CN113824348A CN202111157787.9A CN202111157787A CN113824348A CN 113824348 A CN113824348 A CN 113824348A CN 202111157787 A CN202111157787 A CN 202111157787A CN 113824348 A CN113824348 A CN 113824348A
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冯宇翔
张土明
潘志坚
谢荣才
左安超
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Abstract

本发明公开一种半导体电路，包括高压集成电路和三相逆变桥，高压集成电路包括PWM信号缓存模块、高压驱动模块、低压驱动模块和自举模块，PWM信号缓存模块电连接高压驱动模块和低压驱动模块；自举模块具有三路信号输入端和三路高侧浮动供电输出端，三路信号输入端对应电连接PWM信号缓存模块的三个电平输出端，三路高侧浮动供电输出端分别对应给三相逆变桥的三个上桥臂供电；高压驱动模块的三路高压驱动输出端分别驱动三相逆变桥的三个上桥臂，低压驱动模块的三路低压驱动输出端分别驱动三相逆变桥的三个下桥臂。本发明技术方案解决了自举电压不稳定，容易造成供电不足或电路失效的问题。

Description

半导体电路
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种半导体电路。
背景技术
智能功率模块(Intelligent Power Module，IPM)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。内部把功率开关器件和高压驱动器件电路集成在一起，广泛应用在变频器、焊接机、伺服驱动等系统中。智能功率模块在工作当中，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处理，形成回路驱动，以达到驱动、检测目的。
智能功率模块内部又分为上桥臂、下桥臂、逻辑电路、保护电路等组成，通过半桥或全桥单片机或逻辑芯片来实现驱动控制、保护反馈。在下桥臂开通时候，上桥自举充放电，以保证在下轿臂关断时候上桥臂可以导通。所以，自举电路是保障智能功率模块上桥正常工作条件之一。
目前，智能功率模块内部没有自举功能，通常是通过在外围的应用主控板上搭建形成自举电路，以实现智能功率模块上桥充放电功能。目前采用的这种自举电路的方案，在主控板长期工作后，会发生电迁移，导致自举电压不稳定，容易造成供电不足或电路失效的情况。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种半导体电路，旨在解决自举电压不稳定，容易造成供电不足或电路失效的问题。
为实现上述目的，本发明提出的半导体电路，包括高压集成电路和三相逆变桥，所述高压集成电路包括PWM信号缓存模块、高压驱动模块、低压驱动模块和自举模块，所述PWM信号缓存模块电连接所述高压驱动模块和所述低压驱动模块；
所述自举模块具有三路信号输入端和三路高侧浮动供电输出端，所述三路信号输入端对应电连接所述PWM信号缓存模块的三个电平输出端，所述三路高侧浮动供电输出端分别对应给所述三相逆变桥的三个上桥臂供电；所述高压驱动模块的三路高压驱动输出端分别驱动所述三相逆变桥的三个上桥臂，所述低压驱动模块的三路低压驱动输出端分别驱动所述三相逆变桥的三个下桥臂。
优选地，所述自举模块包括三路相同的自举单元，所述三路信号输入端与所述三路自举单元一一对应，所述三路高侧浮动供电输出端与所述三路自举单元一一对应。
优选地，每一路所述自举单元均包括储能电容、第一开关管、第二开关管、比较单元和逻辑转换单元；
所述信号输入端电连接所述第一开关管的导通控制端和所述逻辑转换单元的第一输入端，所述高侧浮动供电输出端电连接所述第一开关管的第一导通端和所述第二开关管的第一导通端；
所述比较单元的第一输入端电连接电源，所述比较单元的第二输入端电连接所述第一开关管的第二导通端，所述比较单元的输出端电连接所述逻辑转换单元的第二输入端；
所述逻辑转换单元的输出端电连接第二开关管的导通控制端，所述第二开关管的第二导通端电连接所述电源，所述第二开关管的第一导通端经所述储能电容接地；
在所述高侧浮动供电输出端的电压低于预设的第一阈值电压时，所述信号输入端接收到所述PWM信号缓存模块输出的高电平信号，所述第一开关管导通，所述第二开关管导通，所述电源向所述储能电容充电；在所述高侧浮动供电输出端的电压高于预设的第二阈值电压时，所述信号输入端接收所述PWM信号缓存模块输出的低电平信号，所述第一开关管截止，所述第二开关管截止，所述储能电容进行放电。
优选地，所述比较单元包括第一电阻、第二电阻、延时电容和比较器，所述比较器的同相输入端为所述比较单元的第一输入端，所述比较器的反相输入端分别经所述第二电阻和所述延时电容接地；所述第一电阻的一端为所述比较单元的第二输入端，另一端电连接所述比较器的反相输入端。
优选地，所述逻辑转换单元包括施密特触发器、与非门器和反相器，所述与非门器的第一输入端电连接所述施密特触发器的输出端，所述施密特触发器的输入端为所述逻辑转换单元的第一输入端，所述与非门器的第二输入端为所述逻辑转换单元的第二出入端，所述与非门器的输出端电连接所述反相器的输入端，所述反相器的输出端为所述逻辑转换单元的输出端。
优选地，所述自举单元还包括滤波电容，所述电源经所述滤波电容接地。
优选地，还包括三路检测单元和三路用于与外部MCU电连接的电压反馈端，所述三路检测单元与所述三路高侧浮动供电输出端一一对应，所述三路检测单元与所述三路电压反馈端一一对应；每一路所述检测单元的检测端均与其对应的高侧浮动供电输出端电连接，每一路所述检测单元的输出端均与其对应的电压反馈端电连接。
优选地，所述三路检测单元内置于所述高压集成电路中。
优选地，所述高压集成电路还包括与所述高压驱动模块和所述低压驱动模块电连接的保护模块，所述保护模块包括电压欠压保护电路、过流保护电路、过温保护电路和短路保护电路。
优选地，所述高压集成电路还包括驱动使能电路，所述保护模块还包括故障检测电路，所述故障检测电路分别与所述驱动使能电路、所述电压欠压保护电路、所述过流保护电路、所述过温保护电路和所述短路保护电路电连接。
本发明技术方案，将自举模块内置集成在高压集成电路中，使得外围主控板上无需再搭建自举电路，由于高压集成电路是通过封装工艺进行封装的，因此，在半导体电路长期工作运行后，也不会发生电迁移的情况，保证自举电压稳定，因此，本发明半导体电路有效避免了外围主控板长期工作后，发生电迁移导致自举电压不稳定，进而造成供电不足或电路失效的问题。。
附图说明
图1为本发明一实施例中的半导体电路的模块示意图；
图2为本发明一实施例中的半导体电路的模块示意图；
图3为本发明一实施例中的自举单元的电路图；
图4为本发明一实施例中的半导体电路的模块示意图。
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，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后......)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。
还需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上时，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接另一个元件或者可能同时存在居中元件。
另外，在本发明中涉及“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。
本发明提到的半导体电路，是一种将功率开关器件和高压驱动电路等集成在一起，并在外表进行密封封装的一种电路模块，在电力电子领域应用广泛，如驱动电机的变频器、各种逆变电压、变频调速、冶金机械、电力牵引、变频家电等领域应用。这里的半导体电路还有多种其他的名称，如模块化智能功率系统(Modular Intelligent Power System，MIPS)、智能功率模块(Intelligent Power Module，IPM)，或者称为混合集成电路、功率半导体模块、功率模块等名称。在本发明的以下实施例中，统一称为模块化智能功率系统(MIPS)。
本发明提出一种MIPS。
参照图1，在本实施例中，该MIPS包括高压集成电路100(HVIC)和三相逆变桥200，高压集成电路100包括PWM信号缓存模块10、高压驱动模块20、低压驱动模块30和自举模块40，PWM信号缓存模块10电连接高压驱动模块20和低压驱动模块30。高压驱动模块20的三路高压驱动输出端Ho分别驱动三相逆变桥200的三个上桥臂，低压驱动模块30的三路低压驱动输出端Lo分别驱动三相逆变桥200的三个下桥臂。
其中，自举模块40具有三路信号输入端Vin和三路高侧浮动供电输出端VB，三路信号输入端Vin对应电连接PWM信号缓存模块10的三个电平输出端，三路高侧浮动供电输出端VB分别对应给三相逆变桥200的三个上桥臂供电，即每一路高侧浮动供电输出端VB都对应给一个上桥臂供电。
PWM信号缓存模块10接收外部MCU发送的控制信号，PWM信号缓存模块10对控制信号进行滤波、放大处理后，输出给高压驱动模块20、低压驱动模块30、自举模块40，控制高压驱动模块20、低压驱动模块30和自举模块40的工作状态。
本实施例的MIPS，将自举模块40内置集成在高压集成电路100中，使得外围主控板上无需再搭建自举电路，由于高压集成电路100是通过封装工艺进行封装的，因此，在MIPS长期工作运行后，也不会发生电迁移的情况，保证自举电压稳定，因此，本实施例的MIPS有效避免了外围主控板长期工作后，发生电迁移导致自举电压不稳定，进而造成供电不足或电路失效的问题。
另外，通过将自举电路由外置方案变为内置集成方案，MIPS的集成度变得更高，更加智能化。并且，本实施例的方案从根源上解决了现有自举电路靠外围主控板实现，在生产作业时，自举电路所用的器件在粘贴操作中有可能出现损伤，久而久之导致电压不稳定，出现欠压保护的一系列问题。
进一步地，参照图2，在本实施例中，自举模块40包括三路相同的自举单元41，三路信号输入端Vin与三路自举单元41一一对应，三路高侧浮动供电输出端VB与三路自举单元41一一对应。每一路自举单元41由其对应的信号输入端Vin的信号控制，并由其对应的高侧浮动供电输出端VB给三相逆变桥200的一个上桥臂供电。
进一步地，参照图3，在本实施例中，每一路自举单元41均包括储能电容C1、第一开关管QX1、第二开关管QX2、比较单元411和逻辑转换单元412；
信号输入端Vin电连接第一开关管QX1的导通控制端和逻辑转换单元412的第一输入端，高侧浮动供电输出端VB电连接第一开关管QX1的第一导通端和第二开关管QX2的第一导通端；
比较单元411的第一输入端电连接电源VCC，比较单元411的第二输入端电连接第一开关管QX1的第二导通端，比较单元411的输出端电连接逻辑转换单元412的第二输入端；
逻辑转换单元412的输出端电连接第二开关管QX2的导通控制端，第二开关管QX2的第二导通端电连接电源VCC，第二开关管QX2的第一导通端经储能电容C1接地；
本实施例自举单元41的工作原理如下：
1、当高侧浮动供电输出端VB的电压低于预设的第一阈值电压(小于电源VCC的电压)时，信号输入端Vin接收到PWM信号缓存模块10输出的高电平信号，第一开关管QX1导通，比较单元411的第一输入端的电压高于其第二输入端的电压，比较单元411输出高电平至逻辑转换单元412的第二输入端，逻辑转换单元412输出高电平，驱动第二开关管QX2导通，电源VCC与储能电容C1连通，电源VCC向储能电容C1充电；2、当高侧浮动供电输出端VB的电压高于预设的第二阈值电压(大于电源VCC的电压)时，比较单元411的第一输入端的电压低于其第二输入端的电压，比较单元411输出低电平至逻辑转换单元412的第二输入端，逻辑转换单元412输出低电平，第二开关管QX2截止，储能电容C1进行放电，并且信号输入端Vin接收PWM信号缓存模块10输出的低电平信号，第一开关管QX1截止。
进一步地，参照图3，在本实施例中，比较单元411包括第一电阻R1、第二电阻R2、延时电容C2和比较器Y1，比较器Y1的同相输入端为比较单元411的第一输入端，比较器Y1的反相输入端分别经第二电阻R2和延时电容C2接地；第一电阻R1的一端为比较单元411的第二输入端，另一端电连接比较器Y1的反相输入端。
进一步地，参照图3，逻辑转换单元412包括施密特触发器A1、与非门器A2和反相器A3，与非门器A2的第一输入端电连接施密特触发器A1的输出端，施密特触发器A1的输入端为逻辑转换单元412的第一输入端，与非门器A2的第二输入端为逻辑转换单元412的第二出入端，与非门器A2的输出端电连接反相器A3的输入端，反相器A3的输出端为逻辑转换单元412的输出端。
在本实施例中，自举单元41的具体工作原理为：
1、当高侧浮动供电输出端VB的电压低于预设的第一阈值电压时，比较器Y1的同相输入端的电压高于其反相输入端的电压(第二电阻R2上的分压值)，比较器Y1的输出端输出高电平至与非门器A2的第二输入端，此时信号输入端Vin接收到PWM信号缓存模块10输出的高电平信号，第一开关管QXl导通，信号输入端Vin接收到的高电平经施密特触发器A1后输出高电平信号至与非门器A2的第一输入端，从而与非门器A2输出低电平至反相器A3的输入端，反相器A3的输出端则输出高电平，驱动第二开关管QX2导通，电源VCC与储能电容C1连通，电源VCC向储能电容C1充电；2、当高侧浮动供电输出端VB的电压高于预设的第二阈值电压时，比较器Y1的同相输入端的电压低于其反相输入端的电压，比较器Y1的输出端输出低电平至与非门器A2的第二输入端；此时，信号输入端Vin接收PWM信号缓存模块10输出的低电平信号，第一开关管QX1截止，由于延时电容C2的作用，比较器Y1的反相输入端的电压不会突然变小，而是慢慢变小，会保持高于比较器Y1的同相输入端的电压一段时间，即比较器Y1的输出端会保持输出低电平一段时间；信号输入端Vin接收到的低电平信号经施密特触发器A1转换为高电平信号输出至与非门器A2的第一输入端，与非门器A2输出高电平至反相器A3的出入端，反相器A3的输出端则输出低电平，第二开关管QX2截止，电源VCC与储能电容C1断开，避免储能电容Cl的电流向电源VCC倒灌，储能电容C1进行放电。如此循环上述1和2过程，储能电容C1循环充放电，保持高侧浮动供电输出端VB给上桥臂的供电电压稳定。
进一步地，本实施例中，自举单元41还包括滤波电容C3，电源VCC经滤波电容C3接地。通过滤波电容C3滤除电源VCC的干扰信号，保证电源VCC的电压稳定。
进一步地，参照图4，本实施例的MIPS还包括三路检测单元50和三路用于与外部MCU电连接的电压反馈端F，三路检测单元50与三路高侧浮动供电输出端VB一一对应，三路检测单元50与三路电压反馈端F一一对应；每一路检测单元50的检测端均与其对应的高侧浮动供电输出端VB电连接，每一路检测单元50的输出端均与其对应的电压反馈端F电连接。通过检测单元50检测对应的高侧浮动供电输出端VB的电压大小，并将检测到的电压通过对应的电压反馈端F输出至外部MCU，外部MCU则根据电压反馈端F反馈的电压大小，向PWM信号缓存模块10输出相应的电平信号，PWM信号缓存模块10将外部MCU输入的电平信号滤波、放大处理后，输出到对应的信号输入端Vin；如此，外部MCU根据检测单元50检测到自举单元41的高侧浮动供电输出端VB的电压，控制自举单元41的充放电切换。
进一步地，本实施例的MIPS采用三路检测单元50内置于高压集成电路100中，进一步提升高压集成电路100的功能和集成度。当然，在其它实施例中，检测单元50还可以设置在高压集成电路100的外侧，设置在MIPS的基板上，与MIPS封装为一体，使MIPS更加智能化。另外，在一些实施例中，检测单元50也可以是作为MIPS的外围外接电路。
进一步地，本实施例中，高压集成电路100还包括与高压驱动模块20和低压驱动模块30电连接的保护模块，保护模块包括电压欠压保护电路、过流保护电路、过温保护电路和短路保护电路。电压欠压保护电路监测内部是否出现欠压，过流保护电路监测回路中电流是否过流，过温保护电路监测整体模块是否过温(例如过热)，短路保护电路监测回路中是否发生短路情况。
进一步，高压集成电路100还包括驱动使能电路，实现使能功能；保护模块还包括故障检测电路，故障检测电路分别与驱动使能电路、电压欠压保护电路、过流保护电路、过温保护电路和短路保护电路电连接。当检测到电压气压保护电路、过流电路、过温保护电路、短路保护电路中任一电路的信号异常时，故障检测电路输出信号由高电平转换成低电平状态，反馈给外部MCU，MCU则输出相应的控制信号，控制MIPS停止工作，以保护MIPS的安全。
以上所述的仅为本发明的部分或优选实施例，无论是文字还是附图都不能因此限制本发明保护的范围，凡是在与本发明一个整体的构思下，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保护的范围内。

Claims (10)

1.一种半导体电路，其特征在于，包括高压集成电路和三相逆变桥，所述高压集成电路包括PWM信号缓存模块、高压驱动模块、低压驱动模块和自举模块，所述PWM信号缓存模块电连接所述高压驱动模块和所述低压驱动模块；
所述自举模块具有三路信号输入端和三路高侧浮动供电输出端，所述三路信号输入端对应电连接所述PWM信号缓存模块的三个电平输出端，所述三路高侧浮动供电输出端分别对应给所述三相逆变桥的三个上桥臂供电；所述高压驱动模块的三路高压驱动输出端分别驱动所述三相逆变桥的三个上桥臂，所述低压驱动模块的三路低压驱动输出端分别驱动所述三相逆变桥的三个下桥臂。
2.根据权利要求1所述的半导体电路，其特征在于，所述自举模块包括三路相同的自举单元，所述三路信号输入端与所述三路自举单元一一对应，所述三路高侧浮动供电输出端与所述三路自举单元一一对应。
3.根据权利要求2所述的半导体电路，其特征在于，每一路所述自举单元均包括储能电容、第一开关管、第二开关管、比较单元和逻辑转换单元；
所述信号输入端电连接所述第一开关管的导通控制端和所述逻辑转换单元的第一输入端，所述高侧浮动供电输出端电连接所述第一开关管的第一导通端和所述第二开关管的第一导通端；
所述比较单元的第一输入端电连接电源，所述比较单元的第二输入端电连接所述第一开关管的第二导通端，所述比较单元的输出端电连接所述逻辑转换单元的第二输入端；
所述逻辑转换单元的输出端电连接第二开关管的导通控制端，所述第二开关管的第二导通端电连接所述电源，所述第二开关管的第一导通端经所述储能电容接地；
在所述高侧浮动供电输出端的电压低于预设的第一阈值电压时，所述信号输入端接收到所述PWM信号缓存模块输出的高电平信号，所述第一开关管导通，所述第二开关管导通，所述电源向所述储能电容充电；在所述高侧浮动供电输出端的电压高于预设的第二阈值电压时，所述信号输入端接收所述PWM信号缓存模块输出的低电平信号，所述第一开关管截止，所述第二开关管截止，所述储能电容进行放电。
4.根据权利要求3所述的半导体电路，其特征在于，所述比较单元包括第一电阻、第二电阻、延时电容和比较器，所述比较器的同相输入端为所述比较单元的第一输入端，所述比较器的反相输入端分别经所述第二电阻和所述延时电容接地；所述第一电阻的一端为所述比较单元的第二输入端，另一端电连接所述比较器的反相输入端。
5.根据权利要求3所述的半导体电路，其特征在于，所述逻辑转换单元包括施密特触发器、与非门器和反相器，所述与非门器的第一输入端电连接所述施密特触发器的输出端，所述施密特触发器的输入端为所述逻辑转换单元的第一输入端，所述与非门器的第二输入端为所述逻辑转换单元的第二出入端，所述与非门器的输出端电连接所述反相器的输入端，所述反相器的输出端为所述逻辑转换单元的输出端。
6.根据权利要求3所述的半导体电路，其特征在于，所述自举单元还包括滤波电容，所述电源经所述滤波电容接地。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的半导体电路，其特征在于，还包括三路检测单元和三路用于与外部MCU电连接的电压反馈端，所述三路检测单元与所述三路高侧浮动供电输出端一一对应，所述三路检测单元与所述三路电压反馈端一一对应；每一路所述检测单元的检测端均与其对应的高侧浮动供电输出端电连接，每一路所述检测单元的输出端均与其对应的电压反馈端电连接。
8.根据权利要求7所述的半导体电路，其特征在于，所述三路检测单元内置于所述高压集成电路中。
9.根据权利要求1至6中任一项所述的半导体电路，其特征在于，所述高压集成电路还包括与所述高压驱动模块和所述低压驱动模块电连接的保护模块，所述保护模块包括电压欠压保护电路、过流保护电路、过温保护电路和短路保护电路。
10.根据权利要求9所述的半导体电路，其特征在于，所述高压集成电路还包括驱动使能电路，所述保护模块还包括故障检测电路，所述故障检测电路分别与所述驱动使能电路、所述电压欠压保护电路、所述过流保护电路、所述过温保护电路和所述短路保护电路电连接。
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