CN115917946A - 智能功率模块以及功率模块 - Google Patents

Abstract

本发明提供在温度警告不是因过电流而引起时不降低动作频率的智能功率模块以及功率模块。驱动IGBT(21)的控制IC(30)具备将驱动IGBT(21)的输入信号(Vin)分频而降低动作频率的分频电路(31)、检测IGBT(21)的过电流的过电流检测用比较器(34)、检测IGBT(21)的过热的过热保护警告用比较器(35)和过热保护报警用比较器(36)、控制分频电路(31)的分频功能的逻辑电路(37)。逻辑电路(37)仅在过电流检测用比较器(34)未检测出过电流且过热保护警告用比较器(35)正在输出警告信号的条件时，输出使分频电路(31)的分频功能有效的使能信号，在除此以外的条件下不降低动作频率。

Description

智能功率模块以及功率模块

技术领域

本发明涉及一种智能功率模块以及功率模块。

背景技术

通常，应用于马达的可变速装置等的逆变器装置具备进行电力转换的功率元件、驱动该功率元件的驱动器、保护电路、以及一并控制它们的控制电路。存在被称为智能功率模块或功率模块的半导体装置，该智能功率模块将这些结构之中除控制电路以外的功率元件、驱动器以及保护电路集成于一个封装体而成，该功率模块将功率元件和驱动器集成于一个封装体而成。

作为功率元件，使用如IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极晶体管)或MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)那样的电压控制型半导体元件。

智能功率模块具备进行功率元件的过热保护的过热保护电路、以及进行功率元件的过电流保护的过电流保护电路等作为保护功率元件的保护电路。

过热保护电路监视功率元件的温度，若功率元件上升到预定温度，则输出警告信号，若通过进一步继续使用从而功率元件的温度上升到接近元件破坏温度的温度，则输出报警信号而使功率元件的开关动作停止。

过电流保护电路监视流过功率元件的电流，在功率元件流过预定值以上的过电流时输出过电流检测信号，使功率元件的驱动能力降低。

在过热保护电路中，若在功率元件上升到预定温度而输出警告信号时，保持不变地继续运转，则功率元件的温度进一步上升，在输出报警信号时，停止功率元件的开关动作。但是，使功率元件的温度一直上升到输出报警信号为止的情况会使功率元件的可靠性和寿命降低。因此，在输出警告信号时就进行使功率元件的开关动作频率降低，抑制功率元件的温度上升的动作(例如，参照专利文献1-3)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2007-195343号公报

专利文献2：日本特开2012-210012号公报

专利文献2：日本特开2000-134990号公报

发明内容

技术问题

在因过负载等而检测出过电流的情况下，降低功率元件的开关的动作频率对于抑制功率元件的温度上升是有效的。若在温度警告时降低动作频率，则导致电流的峰值延长周期变长的量，若在该峰值的期间存在过热报警时的电流切断，则有功率元件因浪涌电压而被破坏的情况。另一方面，针对周围温度上升或散热器脱落时的温度上升而言，也是在温度警告时降低动作频率，因此若在过热报警时进行电流切断，则功率元件有可能因浪涌电压而被破坏。

本发明是鉴于这一点而完成的，其目的在于提供一种在功率元件的温度上升不是因过电流而引起时，在温度警告时不降低动作频率的智能功率模块以及功率模块。

技术方案

在本发明中，为了解决上述问题，在一个方案中，提供一种具备功率元件和控制功率元件的控制部的智能功率模块。智能功率模块的控制部具有：分频电路，其具有分频功能，该分频功能能够使驱动功率元件的信号的动作频率降低；过电流检测用比较器，其检测功率元件的过电流；过热保护警告用比较器，其检测功率元件变高为第一预定温度以上的情况而输出警告信号；过热保护报警用比较器，其检测功率元件达到比第一预定温度高的第二预定温度的情况而输出报警信号；以及逻辑电路，其仅在过电流检测用比较器未检测出过电流且过热保护警告用比较器正在输出警告信号时，输出使分频电路的分频功能有效的使能信号。

在本发明的另一方案中，提供一种具备功率元件和控制功率元件的控制部的功率模块。功率模块的控制部具有：分频电路，其具有分频功能，该分频功能能够使驱动功率元件的信号的动作频率降低；过电流检测用比较器，其检测功率元件的过电流；过热保护警告用比较器，其检测功率元件变高为第一预定温度以上的情况而输出警告信号；以及逻辑电路，其仅在过电流检测用比较器未检测出过电流且过热保护警告用比较器正在输出警告信号时，输出使分频电路的分频功能有效的使能信号。

技术效果

上述结构的智能功率模块在警告信号不是因过电流而引起时不降低动作频率，因此避免了输出报警信号而对功率元件进行电流切断时因浪涌电压而引起的破坏的危险。

本发明的上述内容以及其他目的、特征以及优点通过与表示作为本发明的例子而优选的实施方式的附图相关联的以下的说明而变得清楚。

附图说明

图1是示出本发明的实施方式的智能功率模块的结构例的图。

图2是示出没有检测出过电流时的智能功率模块的动作的图。

图3是示出有过电流时的智能功率模块的动作的图。

图4是示出表示逻辑电路的与电路的动作的真值表的图。

符号说明

10 智能功率模块

20 功率元件

21IGBT

22温度检测用二极管

30控制IC

31 分频电路

32 驱动器控制电路

33 驱动器

34 过电流检测用比较器

35 过热保护警告用比较器

36 过热保护报警用比较器

37 逻辑电路

37a、37b反相器电路

37c 与电路

38 感测电阻

39 基准电压源

40 恒流源

41、42基准电压源

具体实施方式

以下，参照附图，对用于实施本发明的方式进行详细说明。

图1是示出本发明的实施方式的智能功率模块的结构例的图，图2是示出没有检测出过电流时的智能功率模块的动作的图，图3是示出有过电流时的智能功率模块的动作的图，图4是示出表示逻辑电路的与电路的动作的真值表的图。应予说明，在图2和图3中，从上方起示出芯片温度、过热保护的报警信号、过热保护的警告信号、过电流检测用比较器的输出信号、以及驱动器的输出信号。

如图1所示，本发明的实施方式的智能功率模块10具备：功率元件20，其进行电力转换；以及控制IC(Integrated Circuit：集成电路)30，其是对该功率元件20进行驱动和保护动作的控制部。

功率元件20具有IGBT 21、以及温度检测用二极管22。另外，虽然在此省略了图示，但是功率元件20具有与IGBT 21反向并联连接的FWD(Free Wheeling Diode：续流二极管)。IGBT 21具有能够提取与主电流(集电极电流)成比例的电流的感测IGBT。温度检测用二极管22一体地形成于IGBT 21的芯片。

控制IC 30具备分频电路31、驱动器控制电路32、驱动器33、过电流检测用比较器34、过热保护警告用比较器35、过热保护报警用比较器36、以及逻辑电路37。

分频电路31具有与控制IC 30的IN端子连接的输入，IN端子与上级的控制电路连接，接收对功率元件20进行开关控制的输入信号Vin。分频电路31具有使分频功能有效的使能输入端子E。分频电路31的输出与驱动器控制电路32的输入连接，驱动器控制电路32的输出与驱动器33的输入连接。驱动器33的输出经由控制IC 30的OUT端子与功率元件20的IGBT21的栅极连接。IGBT 21的发射极经由控制IC 30的GND端子而连接于接地端。

过电流检测用比较器34具有正相输入端子、反相输入端子以及输出端子。过电流检测用比较器34的正相输入端子与感测电阻38的一个端子连接，感测电阻38的另一个端子连接于接地端。过电流检测用比较器34的正相输入端子还经由控制IC 30的OC端子与IGBT21的感测发射极连接。过电流检测用比较器34的反相输入端子与基准电压源39的正极端子连接，基准电压源39的负极端子连接于接地端。该基准电压源39输出相当于检测出过电流的阈值电压的基准电压。过电流检测用比较器34的输出端子与逻辑电路37连接。

过热保护警告用比较器35和过热保护报警用比较器36分别具有正相输入端子、反相输入端子以及输出端子。过热保护警告用比较器35和过热保护报警用比较器36的正相输入端子与恒流源40的电流输出端子连接，恒流源40的电流输入端子与控制IC 30的电源的VCC线连接。过热保护警告用比较器35和过热保护报警用比较器36的正相输入端子还经由控制IC 30的OH端子而与功率元件20的温度检测用二极管22的阳极连接。温度检测用二极管22的阴极连接于接地端。

过热保护警告用比较器35的反相输入端子与基准电压源41的正极端子连接，基准电压源41的负极端子连接于接地端。该基准电压源41输出相当于检测出过热保护警告的阈值电压的基准电压。应予说明，该过热保护警告用比较器35是根据输出的逻辑状态而切换两个阈值的滞后比较器，因此，基准电压源41具有过热保护警告电平和过热保护警告复位电平的电压。过热保护警告用比较器35的输出端子与控制IC 30的WAR端子和逻辑电路37连接。

过热保护报警用比较器36的反相输入端子与基准电压源42的正极端子连接，基准电压源42的负极端子连接于接地端。该基准电压源42输出相当于检测出过热保护报警的阈值电压的基准电压。该基准电压源42的基准电压比警告检测用的基准电压源41的基准电压低。应予说明，该过热保护报警用比较器36是根据输出的逻辑状态而切换两个阈值的滞后比较器，因此，基准电压源42具有过热保护报警电平和过热保护报警复位电平的电压。过热保护报警用比较器36的输出端子与控制IC 30的ALM端子和驱动器控制电路32连接。

逻辑电路37具有反相器电路37a、37b以及与电路37c。反相器电路37a的输入与过电流检测用比较器34的输出端子连接，反相器电路37a的输出连接于与电路37c的一个输入。反相器电路37b的输入与过热保护警告用比较器35的输出端子连接，反相器电路37b的输出连接于与电路37c的另一个输入。与电路37c的输出与分频电路31的使能输入端子E连接。

在该智能功率模块10中，若从上级的控制电路供给对功率元件20进行开关控制的输入信号Vin，则分频电路31在正常动作时不对输入信号Vin进行分频而直接输出，并送出至驱动器控制电路32。若从逻辑电路37向分频电路31的使能输入端子E输入使能信号，则分频电路31对输入信号Vin进行分频而降低功率元件20的动作频率，并将分频而得的输出信号送出至驱动器控制电路32。驱动器控制电路32将从分频电路31接收到的信号送出至驱动器33，驱动器33利用从分频电路31输出的动作频率的信号来驱动IGBT 21。驱动器控制电路32还接收过热保护报警用比较器36的报警信号，进行停止功率元件20的动作等的控制。

若IGBT 21动作，则流通集电极电流，通过感测IGBT的感测发射极输出与该集电极电流成比例的感测电流。感测电流经由OC端子被输入到控制IC 30，并经由感测电阻38而流向接地端。此时，在感测电阻38的两端产生与感测电流成比例的感测电压，该感测电压作为具有与IGBT 21的集电极电流成比例的值的信号而被输入到过电流检测用比较器34的正相输入端子。过电流检测用比较器34对感测电压与基准电压源39的基准电压进行比较，将比较结果作为输出信号Vocd而输出。若感测电压比基准电压低，则该输出信号Vocd成为低电平“0”的逻辑信号，若感测电压为基准电压以上，则该输出信号Vocd成为高电平“1”的逻辑信号。

IGBT 21的温度通过温度检测用二极管22而被检测出来。即，温度检测用二极管22从恒流源40经由OH端子而被供给恒流，由此，在OH端子出现温度检测用二极管22的正向电压。该温度检测用二极管22的正向电压以随着温度变高而变低的方式变化，因此能够根据正向电压的值来推定IGBT 21的芯片温度。OH端子的电压被输入到过热保护警告用比较器35和过热保护报警用比较器36的正相输入端子。

过热保护警告用比较器35对OH端子的电压与基准电压源41的基准电压进行比较，比较结果经由WAR端子而被通知给上级的控制电路。若OH端子的电压高于基准电压，则过热保护警告用比较器35输出高电平“1”的逻辑信号作为警告信号，若OH端子的电压为基准电压以下，则过热保护警告用比较器35输出低电平“0”的逻辑信号作为警告信号。详细而言，过热保护警告用比较器35是滞后比较器，因此，如图2和图3所示，基准电压源41的基准电压具有过热保护警告电平Lohpw和过热保护警告复位电平Lohpwr。因此，在IGBT 21的芯片温度Tc为常温时，过热保护警告用比较器35输出高电平“1”的信号。若IGBT 21的芯片温度Tc相对于常温上升而成为过热保护警告电平Lohpw以上，则过热保护警告用比较器35输出低电平“0”的警告信号。若IGBT 21的芯片温度Tc低于过热保护警告电平Lohpw而成为过热保护警告复位电平Lohpwr以下，则过热保护警告用比较器35输出高电平“1”的信号。

过热保护报警用比较器36对OH端子的电压与基准电压源42的基准电压进行比较，比较结果经由ALM端子而被通知给上级的控制电路。若OH端子的电压高于基准电压，则过热保护报警用比较器36输出高电平“1”的逻辑信号作为报警信号，若OH端子的电压为基准电压以下，则过热保护报警用比较器36输出低电平“0”的逻辑信号作为报警信号。详细而言，过热保护报警用比较器36是滞后比较器，因此，如图2和图3所示，基准电压源42的基准电压具有过热保护报警电平Lohpa和过热保护报警复位电平Lohpar。因此，在IGBT 21的芯片温度Tc达到比过热保护警告电平Lohpw高的过热保护报警电平Lohpa之前，过热保护报警用比较器36一直输出高电平“1”的逻辑信号。若IGBT 21的芯片温度Tc达到过热保护报警电平Lohpa，则过热保护报警用比较器36输出低电平“0”的报警信号。若IGBT 21的芯片温度Tc成为比过热保护警告复位电平Lohpwr更高的过热保护报警复位电平Lohpar以下，则过热保护报警用比较器36输出高电平“1”的信号。

在逻辑电路37中，与电路37c的一个输入被输入有通过反相器电路37a对过电流检测用比较器34的输出信号Vocd进行逻辑反相而得的信号B，在另一个输入被输入有通过反相器电路37b对警告信号进行逻辑反相而得的信号A。因此，如图4所示，仅在未检测出过电流且信号B为高电平“1”并且正在输出警告信号且信号A为高电平“1”的条件时，与电路37c的输出信号C成为高电平“1”。由此，分频电路31通过向使能输入端子E输入高电平“1”的使能信号而使分频功能有效。

即，如图2所示，在未检测出过电流且正在输出警告信号时，分频电路31对输入信号Vin进行分频而降低动作频率。另一方面，如图3所示，在检测出过电流且正在输出警告信号时，分频电路31的分频功能被设为无效，不降低动作频率。

在警告信号的输出是因IGBT 21的周围的温度上升而引起的、或因散热器脱落而引起的情况下，不降低动作频率，因此，避免了在温度进一步上升并输出报警信号而对IGBT21进行电流切断时因浪涌电压而引起的破坏的危险。

应予说明，在上述的实施方式中，逻辑电路37由反相器电路37a、反相器电路37b以及与电路37c构成，但是也能够代替它们而由NOR电路构成。由此，NOR电路仅在同时接收到未检测出过电流时的低电平的逻辑信号和正在输出警告信号时的低电平的逻辑信号时，输出高电平的逻辑信号。

另外，在上述的实施方式中，对具备输出报警信号的保护电路的智能功率模块进行了说明，但本发明也能够同样地应用于不具有这样的保护电路的功率模块。

以上仅示出了本发明的原理。此外，本领域技术人员能够进行多种变形、变更，本发明并不限定于上述示出、说明的确切的结构及应用例，对应的全部变形例及等同物被视为基于附加的权利要求及其等同物的本发明的范围。

Claims (7)

1.一种智能功率模块，其特征在于，具备功率元件和控制所述功率元件的控制部，

所述控制部具有：

分频电路，其具有分频功能，该分频功能能够使驱动所述功率元件的信号的动作频率降低；

过电流检测用比较器，其检测所述功率元件的过电流；

过热保护警告用比较器，其检测所述功率元件变高为第一预定温度以上的情况而输出警告信号；

过热保护报警用比较器，其检测所述功率元件达到比所述第一预定温度高的第二预定温度的情况而输出报警信号；以及

逻辑电路，其仅在所述过电流检测用比较器未检测出过电流且所述过热保护警告用比较器正在输出所述警告信号时，输出使所述分频电路的所述分频功能有效的使能信号。

2.根据权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，

所述过电流检测用比较器在未检测出过电流时，输出低电平的逻辑信号，所述过热保护警告用比较器输出低电平的逻辑信号作为所述警告信号。

3.根据权利要求2所述的智能功率模块，其特征在于，

所述逻辑电路具有：

第一反相器电路，其将所述过电流检测用比较器未检测出过电流时的低电平的逻辑信号进行逻辑反相；

第二反相器电路，其将所述过热保护警告用比较器输出的所述警告信号进行逻辑反相；以及

与电路，其将所述第一反相器电路的输出和所述第二反相器电路的输出作为输入。

4.根据权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，

所述功率元件的温度通过形成于所述功率元件的芯片的温度检测用二极管而检测。

5.根据权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，

所述功率元件是IGBT。

6.根据权利要求5所述的智能功率模块，其特征在于，

通过将形成于所述功率元件的感测IGBT输出的感测电流与基准电压进行比较而检测所述功率元件的过电流。

7.一种功率模块，其特征在于，具备功率元件和控制所述功率元件的控制部，

所述控制部具有：

分频电路，其具有分频功能，该分频功能能够使驱动所述功率元件的信号的动作频率降低；

过电流检测用比较器，其检测所述功率元件的过电流；

过热保护警告用比较器，其检测所述功率元件变高为第一预定温度以上的情况而输出警告信号；以及

逻辑电路，其仅在所述过电流检测用比较器未检测出过电流且所述过热保护警告用比较器正在输出所述警告信号时，输出使所述分频电路的所述分频功能有效的使能信号。

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