CN115955230A - 一种带过温保护pfc功能的高压集成电路和半导体模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带过温保护PFC功能的高压集成电路和半导体模块，包括依次彼此连接的第一施密特电路、第一滤波电路和第一电平转换电路，还包括PFC过温保护电路、与非门、或非门、故障逻辑电路以及输出驱动电路，其中施密特电路的输入端连接PFC控制信号，电平转换电路的输出端连接与非门的第一输入端，PFC过温保护电路的输出端连接与非门的第二输入端，与非门的输出端连接或非门的第一输入端，故障逻辑电路的输出端连接或非门的第二输入端，或非门的输出端连接输出驱动电路的输入端，输出驱动电路的输出端为PFC驱动输出端。PFC过温保护电路在工作温升过高时，及时输出过温保护信号控制PFC电路停止工作，避免其发热过高引起整个半导体模块工作失效。

Description

一种带过温保护PFC功能的高压集成电路和半导体模块

技术领域

本发明涉及一种带过温保护PFC功能的高压集成电路和半导体模块，属于半导体模块应用技术领域。

背景技术

高压集成电路(HVIC)，是一种把MCU信号转换成驱动IGBT信号的集成电路产品，HVIC一方面接收MCU的控制信号，驱动后续IGBT或MOS工作，另一方面将系统的状态检测信号送回MCU，是半导体模块内部的关键芯片。目前包含PFC电路的半导体模块在应用过程中，由于内部的PFC电路发热最大，因此需要对其发热进行及时控制，否则容易导致整个半导体模块失效。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是解决现有的包含PFC电路的半导体模块由于其PFC电路工作发热严重导致容易引起整个半导体模块工作失效问题。

具体地，本发明公开一种带过温保护PFC功能的高压集成电路，高压集成电路包括第一施密特电路、第一滤波电路、第一电平转换电路、PFC过温保护电路、与非门、或非门、故障逻辑电路以及输出驱动电路，其中

施密特电路的输入端连接PFC控制信号，施密特电路的输出端连接滤波电路的输入端，滤波电路的输出端连接电平转换电路的输入端，电平转换电路的输出端连接与非门的第一输入端，PFC过温保护电路的输出端连接与非门的第二输入端，与非门的输出端连接或非门的第一输入端，故障逻辑电路的输出端连接或非门的第二输入端，或非门的输出端连接输出驱动电路的输入端，输出驱动电路的输出端为PFC驱动输出端。

可选地，PFC过温保护电路包括镜像电流源检测模块和比较模块，其中镜像电流源检测模块的第一输出端和镜像电流源检测模块的第二输出端分别连接比较模块的第一输入端和比较模块的第二输入端，镜像电流源检测模块输出跟随温度变化的电压信号，以输出至比较模块，比较模块根据电压信号输出对应的高低电平信号。

可选地，镜像电流源检测模块包括第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、电流源、第五PNP三极管和第一电阻，其中

第一PMOS管的源极、第二PMOS管的源极和第三PMOS管的源极共接于直流电源正极，第一PMOS管的栅极、第二PMOS管的栅极、第三PMOS管的栅极以及第一PMOS管的漏极共接于电流源的输入端，第二PMOS管的漏极和第五PNP三极管的发射极共接于镜像电流源检测模块的第一输出端，第三PMOS管的漏极和第一电阻的一端共接于镜像电流源检测模块的第二输出端，第一电阻的另一端、第五PNP三极管的基极和第五PNP三极管的集电极共接于地。

可选地，比较模块包括比较器和非门，其中

比较器的反相输入端为比较模块的第一输入端，比较器的同相输入端为比较模块的第二输入端，比较器的输出端连接非门的输入端，非门的输出端为比较模块的输出端。

可选地，PFC过温保护电路还包括第四NMOS管和第二电阻，其中

第四NMOS管的栅极连接非门的输出端，第四NMOS管的漏极和第二电阻的一端共接于第一电阻的另一端，第四NMOS管的源极和第二电阻的另一端共接于地。

可选地，高压集成电路还包括依次连接的第二施密特电路、第二滤波电路、第二电平转换电路，其中第二施密特电路的输入端为PFC电路的电流采样输入端，第二电平转换电路的输出端连接故障逻辑电路的输入端。

可选地，输出驱动电路包括第六PMOS管、第七NMOS管、第三电阻和第四电阻；其中

第六PMOS管的栅极和第七NMOS管的栅极共接于输出驱动电路的输入端，第六PMOS管的漏极连接直流电源正极，第六PMOS管的源极连接第三电阻的一端，第三电阻的另一端和第四电阻的一端共接于输出驱动电路的输出端，第四电阻的另一端连接第七NMOS管的漏极，第七NMOS管的源极接地。

可选地，高压集成电路还包括高压驱动电路、低压驱动电路、电源电路、电源欠压保护电路和互锁电路，其中互锁电路连接于高压驱动电路和低压驱动电路，电源电路为高压驱动电路、低压驱动电路和互锁电路进行供电。

本发明还提出一种半导体模块，半导体模块设置有上述的高压集成电路。

本发明的带过温保护PFC功能的高压集成电路，包括第一施密特电路、第一滤波电路、第一电平转换电路、PFC过温保护电路、与非门、或非门、故障逻辑电路以及输出驱动电路，其中施密特电路的输入端连接PFC控制信号，施密特电路的输出端连接滤波电路的输入端，滤波电路的输出端连接电平转换电路的输入端，电平转换电路的输出端连接与非门的第一输入端，PFC过温保护电路的输出端连接与非门的第二输入端，与非门的输出端连接或非门的第一输入端，故障逻辑电路的输出端连接或非门的第二输入端，或非门的输出端连接输出驱动电路的输入端，输出驱动电路的输出端为PFC驱动输出端。PFC过温保护电路起到了实时检测PFC电流的工作温度，并在其工作温升过高时，及时输出过温保护信号以及时控制PFC电路停止工作，避免其发热过高引起整个半导体模块工作失效。

附图说明：

图1为本发明实施例的带过温保护PFC功能的高压集成电路的内部简化电路原理图；

图2为图1中PFC过温保护电路的具体电路原理图；

图3为本发明实施例的高压集成电路框图。

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模块，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。

本发明提出一种带过温保护PFC功能的高压集成电路，如图1和图2所示，高压集成电路包括第一施密特电路10、第一滤波电路20、第一电平转换电路30、PFC过温保护电路70、与非门40、或非门50、故障逻辑电路80以及输出驱动电路60，其中施密特电路的输入端连接PFC控制信号PFCIN，施密特电路的输出端连接滤波电路的输入端，滤波电路的输出端连接电平转换电路的输入端，电平转换电路的输出端连接与非门40的第一输入端，PFC过温保护电路70的输出端连接与非门40的第二输入端，与非门40的输出端连接或非门50的第一输入端，故障逻辑电路80的输出端连接或非门50的第二输入端，或非门50的输出端连接输出驱动电路60的输入端，输出驱动电路60的输出端为PFC驱动输出端PFCOUT。其中PFC控制信号经第一施密特电路10进行信号整形，在经第一滤波电路20对干扰信号进行过滤，然后经第一电平转换电路30对PFC控制信号进行再次过滤和校正，最后输入到与非门40的第一输入端，PFC过温保护电路70用于检测PFC电路的工作温度，并在温度过高时输出低电平的过温保护信号，此低电平信号输入到与非门40的第二输入端，使得与非门40持续输出高电平，进而使得或非门50持续输出高电平，并输入到输出驱动电路60，是其持续输出低电平，控制PFC电路关闭，使得PFC电路不工作。只有PFC过温保护电路70输出高电平的过温保护恢复信号，才使得与非门40和或非门50根据PFC控制信号改变输出状态，进而使得输出驱动电路60输出与PFC控制信号一致的信号状态。因此PFC过温保护电路70起到了实时检测PFC电流的工作温度，并在其工作温升过高时，及时输出过温保护信号以及时控制PFC电路停止工作，避免其发热过高引起整个半导体模块工作失效。

在本发明的一些实施例中，如图2所示，PFC过温保护电路70包括镜像电流源检测模块71和比较模块72，其中镜像电流源检测模块71的第一输出端和镜像电流源检测模块71的第二输出端分别连接比较模块72的第一输入端和比较模块72的第二输入端，镜像电流源检测模块71输出跟随温度变化的电压信号，以输出至比较模块72，比较模块72根据电压信号输出对应的高低电平信号。当镜像电流源检测模块71检测到温度过高，使得输出电压信号过高时，比较模块72输出低电平的过温保护信号；在镜像电流源检测模块71检测到温度正常时，比较模块72输出高电平的过温保护恢复信号。

具体地，在本发明的一些实施例中，做为具体地电流源IA1检测模块和比较模块72的一种可实现的电路，如图2所示，镜像电流源检测模块71包括第一PMOS管Q1、第二PMOS管Q2、第三PMOS管Q3、电流源IA1、第五PNP三极管Q5和第一电阻R1，其中第一PMOS管Q1的源极、第二PMOS管Q2的源极和第三PMOS管Q3的源极共接于直流电源正极，第一PMOS管Q1的栅极、第二PMOS管Q2的栅极、第三PMOS管Q3的栅极以及第一PMOS管Q1的漏极共接于电流源IA1的输入端，第二PMOS管Q2的漏极和第五PNP三极管Q5的发射极共接于镜像电流源检测模块71的第一输出端，第三PMOS管Q3的漏极和第一电阻R1的一端共接于镜像电流源检测模块71的第二输出端，第一电阻R1的另一端、第五PNP三极管Q5的基极和第五PNP三极管Q5的集电极共接于地。比较模块72包括比较器IC1和非门IC2，其中比较器IC1的反相输入端为比较模块72的第一输入端，比较器IC1的同相输入端为比较模块72的第二输入端，比较器IC1的输出端连接非门IC2的输入端，非门IC2的输出端为比较模块72的输出端。

上述的镜像电流源检测模块71和比较模块72的具体电路工作原理如下：第一PMOS管Q1至第三PMOS管Q3形成镜像电流源基础电路，这个三个管的栅极互连，且三个管的源极也互连，第五PNP三极管Q5的发射极和基极之间的PN结正向导通电压具有负温度系数的变化特征，而其偏置电流具有正温度系数的变化特征，从而组成一个温度传感器，时刻感应温度变化，当温度升高时，其PN结电压即比较器IC1反相输入端电压V1降低，而第一电阻R1上的电压升高，但电压V2大于电压V1时，比较器IC1输出发送翻转，输出高电平，再经非门IC2输出低电平的过温保护信号。从而最终控制输出驱动电路60持续输出低电平，控制PFC电路停止工作，起到保护PFC电路的作用。

进一步地，在本发明的一些实施例中，上述的PFC过温保护电路还包括第四NMOS管Q4和第二电阻R2，其中第四NMOS管Q4的栅极连接非门IC2的输出端，第四NMOS管Q4的漏极和第二电阻R2的一端共接于第一电阻R1的另一端，第四NMOS管Q4的源极和第二电阻R2的另一端共接于地。第四NMOS管Q4和第二电阻R2组成负反馈电路，其具体的工作原理如下：当温度正常时，非门IC2输出高电平，第四NMOS管Q4导通，此时第二电阻R2接入到电路中，使得比较器IC1同相输入端电压V2升高，而温度过高时，非门IC2输出低电平，第四NMOS管Q4截止，此时第二电阻R2从电路中断开，比较器IC1同相输入端电压V2降低，因此在比较器IC1输出发生翻转时，其同相输入端的参考电压V2会发生变化，具体变化的电压值由第一电阻R1和第二电阻R2的大小关系确定，以此使得参考电压V2为一个区间而不是一个固定值，相对原来的没有此负反馈电路参考电压V2不变的情况，比较器IC1反相输入端电压在接近参考电压V2附近时，其输出会发生频繁的变化的抖动情况，此负反馈电路使得比较器IC1同相输入端电压实现迟滞功能，在上述情况下比较器IC1的输出状态不会发生变化，从而提升了PFC过温保护电路70的抗干扰能力，提升了整个半导体模块的工作稳定性和可靠性。

在本发明的一些实施例中，如图1所示，高压集成电路还包括依次连接的第二施密特电路B0、第二滤波电路A0、第二电平转换电路90，其中第二施密特电路B0的输入端为PFC电路的电流采样输入端，第二电平转换电路90的输出端连接故障逻辑电路80的输入端。其中PFC电路的电流采样输入端PFCTRIP电流采样信号经过第二滤波电路A0对干扰信号进行过滤，然后经第二电平转换电路90对电流采样信号进行再次过滤和校正，再输入到故障逻辑电路80，当故障逻辑电路80输出PFC过流保护的高电平时，其输入到或非门50的第二输入端，使得或非门50持续输出高电平，进而使得输出驱动电路60持续输出低电平，控制PFC电路关闭，起到PFC过流保护作用。

在本发明的一些实施例中，如图1所示，输出驱动电路60包括第六PMOS管Q6、第七NMOS管Q7、第三电阻R3和第四电阻R4；其中第六PMOS管Q6的栅极和第七NMOS管Q7的栅极共接于输出驱动电路60的输入端，第六PMOS管Q6的漏极连接直流电源正极VCC，第六PMOS管Q6的源极连接第三电阻R3的一端，第三电阻R3的另一端和第四电阻R4的一端共接于输出驱动电路60的输出端，第四电阻R4的另一端连接第七NMOS管Q7的漏极，第七NMOS管Q7的源极接地。第六PMOS管Q6和第七NMOS管Q7组成图腾柱电路结构，实现对输入的PFC控制信号的驱动。

在本发明的一些实施例中，如图3所示，高压集成电路还包括保护电路400、高压驱动电路100、低压驱动电路300、电源电路500、电源欠压保护电路600和互锁电路200，其中保护电路400中设置有上述室内提到的PFC过温保护的相关电路，互锁电路200连接于高压驱动电路100和低压驱动电路300，电源电路500为高压驱动电路100、低压驱动电路300和互锁电路200进行供电。具体地，低侧驱动单元和高侧驱动单元分别输出驱动信号以驱动逆变电路的下桥臂开关管和上桥臂开关管工作，针对后续连接的逆变电路为三路上下桥臂的半桥电路而言，低侧驱动单元输出三个下桥臂开关管的低侧驱动信号LO1、LO2、LO3，低侧驱动单元输出三个下桥臂开关管的低侧驱动信号HO1、HO2、HO3。其中低侧驱动单元工作在电压环境如15V，高侧驱动电压工作在浮动电压环境如15V-310V，因此二者内部的电路结构不同。互锁电路200200的作用是检测低侧驱动单元和高侧驱动单元的驱动信号是否同时为高电平，在同时为高电平时，控制驱动单元和高侧驱动单元输出低电平，以此防止高侧驱动单元的驱动信号同时输出高低平使得逆变电路的上下桥臂的开关管同时导通导致短路引起开关管过流损坏，以此起到保护逆变电路的作用。

本发明还提出一种半导体模块，该半导体模块内部设置有上述实施例提到的高压集成电路。半导体模块具体还被还包括电路基板、多个电子元件、多个引脚和密封层。其中电路基板的表面设置有电路布线层，电路板布线层上包含多个元件安装位和多个焊盘。多个电子元件包括组成驱动电路的驱动芯片、逆变电路的开关管如IGBT、与IGBT并联的FRD等电子元件。多个引脚设置在电路基板的两侧，且多个引脚的一端和电路布线层连接。密封层至少包覆电路基板的电路布线层的一面，且包覆多个电子元件，多个引脚的另一端从密封层露出。其中驱动芯片内部设置有上述的高压集成电路，通过在高压集成电路内部设置PFC过温保护电路70，以此使得PFC电路工作时，能实时监控其工作温度，并在工作温度过高时，及时的控制PFC电路停止工作，从而防止其中的功率器件由于发热严重而影响到半导体模块的其他部分的工作稳定性，从而提升了整个半导体模块的工作可靠性。

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 (9)

1.一种带过温保护PFC功能的高压集成电路，其特征在于，所述高压集成电路包括第一施密特电路、第一滤波电路、第一电平转换电路、PFC过温保护电路、与非门、或非门、故障逻辑电路以及输出驱动电路，其中

所述施密特电路的输入端连接PFC控制信号，所述施密特电路的输出端连接所述所述滤波电路的输入端，所述滤波电路的输出端连接所述电平转换电路的输入端，所述电平转换电路的输出端连接所述与非门的第一输入端，PFC过温保护电路的输出端连接所述与非门的第二输入端，所述与非门的输出端连接所述或非门的第一输入端，所述故障逻辑电路的输出端连接所述或非门的第二输入端，所述或非门的输出端连接所述输出驱动电路的输入端，所述输出驱动电路的输出端为PFC驱动输出端。

2.根据权利要求1所述的高压集成电路，其特征在于，PFC过温保护电路包括镜像电流源检测模块和比较模块，其中所述镜像电流源检测模块的第一输出端和所述所述镜像电流源检测模块的第二输出端分别连接所述比较模块的第一输入端和所述比较模块的第二输入端，所述镜像电流源检测模块输出跟随温度变化的电压信号，以输出至所述比较模块，所述比较模块根据所述电压信号输出对应的高低电平信号。

3.根据权利要求2所述的高压集成电路，其特征在于，所述镜像电流源检测模块包括第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、电流源、第五PNP三极管和第一电阻，其中

所述第一PMOS管的源极、所述第二PMOS管的源极和所述第三PMOS管的源极共接于直流电源正极，所述第一PMOS管的栅极、所述第二PMOS管的栅极、所述第三PMOS管的栅极以及所述第一PMOS管的漏极共接于所述电流源的输入端，所述第二PMOS管的漏极和所述第五PNP三极管的发射极共接于所述镜像电流源检测模块的第一输出端，所述第三PMOS管的漏极和所述第一电阻的一端共接于所述镜像电流源检测模块的第二输出端，所述第一电阻的另一端、所述第五PNP三极管的基极和所述第五PNP三极管的集电极共接于地。

4.根据权利要求2所述的高压集成电路，其特征在于，所述比较模块包括比较器和非门，其中

所述比较器的反相输入端为所述比较模块的第一输入端，所述比较器的同相输入端为所述比较模块的第二输入端，所述比较器的输出端连接所述非门的输入端，所述非门的输出端为所述比较模块的输出端。

5.根据权利要求3和4所述的高压集成电路，其特征在于，所述PFC过温保护电路还包括第四NMOS管和第二电阻，其中

所述第四NMOS管的栅极连接所述非门的输出端，所述第四NMOS管的漏极和所述第二电阻的一端共接于所述第一电阻的另一端，所述第四NMOS管的源极和所述第二电阻的另一端共接于地。

6.根据权利要求1所述的高压集成电路，其特征在于，所述高压集成电路还包括依次连接的第二施密特电路、第二滤波电路、第二电平转换电路，其中所述第二施密特电路的输入端为PFC电路的电流采样输入端，所述第二电平转换电路的输出端连接所述故障逻辑电路的输入端。

7.根据权利要求1所述的高压集成电路，其特征在于，所述输出驱动电路包括第六PMOS管、第七NMOS管、第三电阻和第四电阻；其中

所述第六PMOS管的栅极和第七NMOS管的栅极共接于所述输出驱动电路的输入端，所述第六PMOS管的漏极连接所述直流电源正极，所述第六PMOS管的源极连接所述第三电阻的一端，所述第三电阻的另一端和所述第四电阻的一端共接于所述输出驱动电路的输出端，所述第四电阻的另一端连接所述第七NMOS管的漏极，所述第七NMOS管的源极接地。

8.根据权利要求1至7任意一项所述的高压集成电路，其特征在于，所述高压集成电路还包括高压驱动电路、低压驱动电路、电源电路、电源欠压保护电路和互锁电路，其中互锁电路连接于所述高压驱动电路和所述低压驱动电路，所述电源电路为所述高压驱动电路、低压驱动电路和所述互锁电路进行供电。

9.一种半导体模块，其特征在于，所述半导体模块设置有如权利要求8所述的高压集成电路。

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