CN114006349A - 半导体电路和电控装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种半导体电路和电控装置，包括高压驱动电路、功率器件电路和湿度检测电路；所述高压驱动电路的输入端用于连接第一驱动信号，所述高压驱动电路根据所述第一驱动信号输出第二驱动信号至所述功率器件电路的开关管的控制端；所述湿度检测电路用于检测所述半导体电路的湿度并输出湿度信号至所述高压驱动电路；所述高压驱动电路接收所述湿度信号，并在所述湿度信号大于预设值时，关断所述第二驱动信号。通过在半导体电路内设置湿度检测电路，并利用湿度检测电路的检测结果进行判断，在湿度过高时，关断半导体电路的输出驱动信号，从而实现了具有湿度保护功能的半导体电路。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体电路和电控装置，属于半导体电路应用技术领域。
背景技术
半导体电路，比如，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，并内设有过电压、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。现有的智能功率模块都是不带湿度保护，易受潮损坏。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是解决现有的半导体电路中的易受潮损坏的问题。
具体地，本发明公开一种半导体电路，包括高压驱动电路、功率器件电路和湿度检测电路；所述高压驱动电路的输入端用于连接第一驱动信号，所述高压驱动电路根据所述第一驱动信号输出第二驱动信号至所述功率器件电路的开关管的控制端；所述湿度检测电路用于检测所述半导体电路的湿度并输出湿度信号至所述高压驱动电路；所述高压驱动电路接收所述湿度信号，并在所述湿度信号大于预设值时，关断所述第二驱动信号。
可选地，所述湿度检测电路包括湿度传感器。
可选地，所述湿度检测电路包括分压电路，所述分压电路为依次串联连接的电源、上拉电阻、湿敏电阻和地。
可选地，所述上拉电阻和湿敏电阻的连接点作为所述半导体电路的湿度检测端口。
可选地，所述预设值为预设电压值，所述湿度信号为所述连接点的电压值；当所述连接点处的电压值大于所述预设电压值，所述半导体电关断所述第二驱动信号，所述湿度检测端口的电压拉低至地电平。
可选地，在所述湿度信号大于预设值时，所述高压驱动电路输出湿度保护信号至外部控制器。
可选地，所述功率器件电路包括第一开关管、上桥臂开关管和下桥臂开关管，所述上桥臂开关管包括第二开关管、第四开关管和第六开关管，所述下桥臂开关管包括第三开关管、第五开关管和第七开关管；
所述高压驱动电路为7通道驱动HVIC；所述7通道驱动HVIC具有7路驱动信号输出端口，所述输出端口用于输出第二驱动信号至所述第一至第七开关管的控制端；
其中，所述第一开关管为PFC开关管，所述第一至第七开关管均为IGBT管。
可选地，所述7通道驱动HVIC包括湿度保护电路、3通道高侧驱动电路、3通道低侧驱动电路和PFCIGBT驱动电路；所述湿度保护电路用于判断所述湿度信号和所述预设值的大小；所述湿度保护电路的与所述3通道高侧驱动电路连接，所述湿度保护电路的输出端与3通道低侧驱动电路连接，所述湿度保护电路通过逻辑电路与所述PFCIGBT驱动电路连接。
可选地，所述高压驱动电路还包括报错电路，在所述湿度信号大于预设值时，所述报错电路对外输出报错信号。
本发明还公开了一种电控装置，包括如前所述的半导体电路和外部控制器；所述外部控制器输出所述第一驱动信号至所述半导体电路，所述外部控制器在接收到所述湿度保护信号后，控制关断所述第一驱动信号。
本发明的半导体电路和电控装置，通过在半导体电路内设置湿度检测电路，并利用湿度检测电路的检测结果进行判断，在湿度过高时，关断半导体电路的输出驱动信号，从而实现了具有湿度保护功能的半导体电路，使得半导体电路寿命增加、免受损坏。
附图说明
图1为本发明实施例的半导体电路和电控装置的MCU的框图；
图2为图1中半导体电路的原理图；
图3为图1中的高压驱动电路的原理图；
图4为半导体电路的封装图；
图5为半导体电路的结构图；
图6为半导体电路的又一结构图。
具体实施方式
需要说明的是，在结构或功能不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面根据实例来详细说明本发明。
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。
目前IPM智能功率模块都是不带湿度传感器，没有湿度保护。湿度对IPM等电子元器件和整机的危害，绝大部分电子产品都要求在干燥条件下作业和存放。据统计，全球每年有1/4以上的工业制造不良品与潮湿地危害有关。对于半导体产业，潮湿的危害已经成为影响产品质量地主要因素之一。潮湿对半导体产业的危害主要表现在潮湿能透过IC塑料封装从引脚等缝隙侵入IC内部，产生IC吸湿现象。在过程的加热环节中形成水蒸气，产生的压力导致树脂封装开裂，并使器件内部金属氧化，导致产品故障。
空气中的水蒸汽的多少不但会影响空气的湿度，而且使空气出现潮湿或干燥现象。空气的干湿程度，通常是用空气中水蒸汽的密度来表示的。要想直接测量出空气中水蒸汽的密度，方法比较复杂。而理论计算表明，在一般的气温条件下，空气的水汽密度，与空气中水汽的压强数值非常接近。所以空气的水蒸汽密度又可以规定为空气中所含水蒸汽的压强，又把它称为大气的绝对湿度，用符号D表示，常用的单位是mmHg。通常把大气的绝对湿度跟当时气温下饱和水汽压的百分比称为大气的相对湿度用％HP表示，若大气中所含水汽的压强等于当时气温下的饱各水汽压时，这时大气的相对温度等于100％RH。
IPM应用于变频空调、变频器等变频电器中，当这些电器在环境湿度非常大的情况下工作，这样IPM及其他电子元件会容易发生受潮而短路，烧坏IPM。
本发明首先提出一种半导体电路，如图1所示，半导体电路20包括功率器件电路30、高压驱动电路40、湿度检测电路50。湿度检测电路50集成在半导体电路20的内部，使半导体电路20具有湿度保护功能。湿度检测电路50检测半导体电路内部的湿度，当检测到湿度超过高压驱动电路40设置的预设值，高压驱动电路40会关断所有的输出，保护半导体电路。半导体电路20的输入端连接第一驱动信号，比如，来自外部控制器的脉冲控制信号；半导体电路20的输出端输出第二驱动信号，用于驱动功率器件电路30的开关管。当湿度检测电路50检测到的湿度值大于高压驱动电路40设置的预设值时，高压驱动电路40可关断第二驱动信号以保护半导体电路免受损坏。
一些实施例中，湿度检测电路50还与电控的微控制器MCU连接，湿度检测电路50向电控的MCU输出检测到的湿度信号，让MCU做出相应的保护，实现双重保护。
一些实施例中，采用湿度传感器来实现湿度检测。湿度传感器英文名称为humidity transducer，是一种能感受气体中水蒸气含量，并转换成可用输出信号的传感器。湿敏元件主要有电阻式、电容式两大类，湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。比如，利用电源、上拉电阻、湿敏电阻和地依次串联组成的电路来进行湿度检测，湿敏电阻和上拉电阻的连接点引出即可作为湿度检测信号。此时的湿度检测信号为一电压值。上述串联电路，上拉电阻和湿敏电阻的串联位置也可以调换，只要能够通过二者连接点处的电压值的变化反应出湿度的变化即可。
一些实施例中，集成带湿度保护功能的高压驱动电路40，内部包含上桥、下桥驱动、PFC IGBT驱动，使能、欠压、过流、过压、高温、低温、过湿、报错等功能电路，以及自举电路。高压驱动电路与IGBT、FRD、自举电容、NTC、湿敏电阻、电阻组成IPM电路，实现三相逆变、PFC功率因数调节、使能、欠压保护、过流保护、过压保护、高温保护、低温保护、湿度保护、报错等功能。高压驱动电路内部的湿度保护功能电路的工作过程为：高压驱动电路的SD收到外部反映半导体电路内部湿度的湿度信号后，高压驱动电路内部微处理器跟据接到湿度信号(比如，可以是电压信号)与设定湿度70％PH对应的预设值(与湿度信号对应，可以采用电压值)做比较，当高压驱动电路的SD收到反应外部半导体电路内部湿度的湿度信号大于预设值时，半导体电路进入湿度保护功能，高压驱动电路会关断所有的输出。在一些实施例中，反应湿度故障的SDTRIP引脚同时会拉低到地电平，从而通过SDTRIP引脚告知外部电控的MCU，让其做出相应的处理。
如图2所示，半导体电路以IPM示例，湿度检测电路包括了由湿敏电阻R3和上拉电阻R2组成的电路。以图2所示对本发明进行详细说明。集成湿度保护功能的7通道高压驱动电路HVIC40的PFCOUT\HO1\HO2\HO3\LO1\LO2\LO3端口分别与IGBT1\IGBT2\IGBT3\IGBT4\IGBT5\IGBT6\IGBT7的G端口连接，IGBT的C端口与FRD的CN端口连接，IGBT的E端口与FRD的AN端口连接，带湿度保护功能的7通道驱动HVIC 40的VB1\VS1,VB2\VS2,VB3\VS3分别与自举电容201连接。
带湿度保护功能的7通道驱动HVIC 40的TL与NTC和上拉电阻R1的连接点202相连接，并引出作为IPM的温度检测端口TTRIP。上拉电阻R1的一端接VDD，NTC的一端接到VSS。
带湿度保护功能的7通道驱动HVIC 40的SD与湿敏电阻R3和上拉电阻R2的连接点90相连接，并引出作为IPM的湿度检测端口SDTRIP。上拉电阻R2的一端接VDD，湿敏电阻R3的一端接到VSS。
VDD\HIN1\HIN2\HIN3\LIN1\LIN2\LIN3\PFCIN\(FLY)\PFCTRIP\ITRIP\VSS分别引出作为IPM的端口；
PFC IGBT1的C端口与快恢复二极管D1的AN端口连接，并引出作为IPM的PFC端口，快恢复二极管D1的CN端口引出作为IPM的VCC1端口；PFC IGBT1的C端口引出作为IPM的-VCC端口；
上桥臂IGBT2\IGBT4\IGBT6的C端口引出作为IPM的VCC2端口；
下桥臂IGBT3\IGBT5\IGBT7的E端口引出分别作为IPM的-U\-V\-W端口；
A桥上桥臂IGBT与下桥臂IGBT的连接点引出作为IPM的U端口；
B桥上桥臂IGBT与下桥臂IGBT的连接点引出作为IPM的V端口；
C桥上桥臂IGBT与下桥臂IGBT的连接点引出作为IPM的W端口。
以图3所示原理图对高压驱动电路40进行详细说明，图3中，高压驱动电路40为7通道驱动HVIC。集成带湿度保护功能的7通道驱动HVIC包括高侧驱动电路3通道，低侧驱动电路3通道，1通道PFC IGBT驱动；
高侧驱动电路内部包含高侧欠压保护电路和自举电路，实现高侧驱动欠压保护功能和自举供电功能；
高侧驱动电路与低侧驱动电路之间连接互锁和死区电路实现互锁和死区功能；
电源电路包括5V LDO电路和1.2V BANDGAP电路，给HVIC内部所有电路和外部电路供给5V电压，给HVIC以及外部电路提供稳定的1.2V电压基准；
电源电路与电源欠压保护电路连接，实现电源欠压保护功能。
HVIC内部还包含使能电路，实现使能功能；过流保护电路实现过流保护功能；过压保护电路实现过压保护功能；温度保护电路实现温度保护功能包括高温保护功能和低温保护功能；湿度保护电路实现湿度保护功能。还可以包括PFC过流保护电路，当PFC过流故障时实现过流保护。还可以包括报错电路，当内部出现欠压、过流、PFC过流、过压、过温、过湿等情况时，对外输出报错信号。
湿度保护电路与低侧驱动电路、高侧驱动电路连接，湿度保护电路还通过逻辑电路和PFCIGBT驱动电路连接。通过上述连接关系，湿度保护电路在检测到过湿情况后，低侧驱动电路、高侧驱动电路和PFCIGBT驱动电路输出的驱动信号关闭。
总之，集成带湿度保护功能7通道驱动HVIC40，内部包含上桥、下桥驱动、PFC IGBT驱动，使能、欠压、过流、过压、高温、低温、过湿、报错等功能电路，以及自举电路。HVIC与IGBT、FRD、自举电容、NTC、湿敏电阻、电阻组成IPM电路，实现三相逆变、PFC功率因数调节、使能、欠压保护、过流保护、过压保护、高温保护、低温保护、湿度保护、报错等功能。具体地，HVIC内部的湿度保护功能电路的工作过程为：HVIC的SD收到外部IPM内部湿敏电阻R3与电阻R2的分压信号后，HVIC内部微处理器根据接到电压信号与设定湿度70％PH对应的电压值做比较，当HVIC的SD收到外部IPM内部湿敏电阻R3与电阻R2的分压信号大于湿度70％PH对应的电压值。此处的70％PH对应的电压值仅为举例，本实施例中不对具体的预设值做限定，可由本领域技术人员灵活设置。
图4-图6示出了半导体电路20的封装图。采用IMS基板把高压驱动电路、IGBT、FRD、二极管组合、湿度传感器等芯片组装起来，通过键合线连接形成完整的半导体电路，通过环氧塑封材料封装在一起，形成物理保护。
具体地，以IPM半导体电路来详细说明封装结构。带湿度保护功能的IPM模块包括：电路铝基板23；设于所述电路铝基板23表面上的绝缘层24上形成的电路布线25，整体电路布线如图3，电路铝基板23的背面具有凸凹不平的纹理26；被固定在电路布线25上的电路元件27；连接电路元件27和电路布线25的金属线28；与电路布线25连接的引脚29，其余部分被电镀层覆盖；智能功率模块20的整体被密封树脂21密封。
具有湿度保护功能的IPM模块的制造方法是：
将铝材形成适当大小作为电路铝基板23并在其背面通过激光蚀刻、打磨等方式形成纹理26，在电路铝基板23表面上设置绝缘层24并在绝缘层24上形成铜箔，通过刻蚀使铜箔形成电路布线25；
在电路布线25的特定位置涂装锡膏；
将铜材形成适当形状，并进行表面镀层处理，作为引脚29，如图5-6所示，为了避免电路元件27在后续加工工序中被静电损伤，引脚29的特定位置通过加强筋210相连；
在锡膏上放置电路元件27和引脚29；
通过回流焊使锡膏固化，电路元件27和引脚29固定在电路布线25上；
通过喷淋、超声等清洗方式，清除残留在电路基板23上的助焊剂；
通过邦定线，使电路元件27和电路布线25间形成连接；
若电路基板23需要连接地电位，还包括通过转孔将绝缘层24转穿，通过邦定线在电路布线25的地电位和电路基板23之间形成连接的工序；
通过使用热塑性树脂的注入模模制或使用热硬性树脂的传递模模制方式，将上述要素密封；
将引脚29的加强筋210切除并形成所需的形状；
通过测试设备进行必要的测试，测试合格者就成为IPM模块20。
本发明的半导体电路包括湿度检测电路和湿度保护电路，湿度保护电路对湿度检测电路的检测信号进行判断，在湿度过高时，关断半导体电路的输出驱动信号，从而实现了具有湿度保护功能的半导体电路。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种半导体电路，其特征在于，所述半导体电路包括高压驱动电路、功率器件电路和湿度检测电路；所述高压驱动电路的输入端用于连接第一驱动信号，所述高压驱动电路根据所述第一驱动信号输出第二驱动信号至所述功率器件电路的开关管的控制端；所述湿度检测电路用于检测所述半导体电路的湿度并输出湿度信号至所述高压驱动电路；所述高压驱动电路接收所述湿度信号，并在所述湿度信号大于预设值时，关断所述第二驱动信号。
2.根据权利要求1所述的半导体电路，其特征在于，所述湿度检测电路包括湿度传感器。
3.根据权利要求1所述的半导体电路，其特征在于，所述湿度检测电路包括分压电路，所述分压电路为依次串联连接的电源、上拉电阻、湿敏电阻和地。
4.根据权利要求3所述的半导体电路，其特征在于，所述上拉电阻和湿敏电阻的连接点作为所述半导体电路的湿度检测端口。
5.根据权利要求4所述的半导体电路，其特征在于，所述预设值为预设电压值，所述湿度信号为所述连接点的电压值；当所述连接点处的电压值大于所述预设电压值，所述半导体电关断所述第二驱动信号，所述湿度检测端口的电压拉低至地电平。
6.根据权利要求1所述所述的半导体电路，其特征在于，在所述湿度信号大于预设值时，所述高压驱动电路输出湿度保护信号至外部控制器。
7.根据权利要求1所述的半导体电路，其特征在于，
所述功率器件电路包括第一开关管、上桥臂开关管和下桥臂开关管，所述上桥臂开关管包括第二开关管、第四开关管和第六开关管，所述下桥臂开关管包括第三开关管、第五开关管和第七开关管；
所述高压驱动电路为7通道驱动HVIC；所述7通道驱动HVIC具有7路驱动信号输出端口，所述输出端口用于输出第二驱动信号至所述第一至第七开关管的控制端；
其中，所述第一开关管为PFC开关管，所述第一至第七开关管均为IGBT管。
8.根据权利要求7所述的半导体电路，其特征在于，所述7通道驱动HVIC包括湿度保护电路、3通道高侧驱动电路、3通道低侧驱动电路和PFCIGBT驱动电路；所述湿度保护电路用于判断所述湿度信号和所述预设值的大小；所述湿度保护电路的与所述3通道高侧驱动电路连接，所述湿度保护电路的输出端与3通道低侧驱动电路连接，所述湿度保护电路通过逻辑电路与所述PFCIGBT驱动电路连接。
9.根据权利要求1所述的半导体电路，其特征在于，所述高压驱动电路还包括报错电路，在所述湿度信号大于预设值时，所述报错电路对外输出报错信号。
10.一种电控装置，其特征在于，包括如权利要求6所述的半导体电路和外部控制器；所述外部控制器输出所述第一驱动信号至所述半导体电路，所述外部控制器在接收到所述湿度保护信号后，控制关断所述第一驱动信号。
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