CN117081370B - 智能功率模块ipm、控制方法及设备 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例属于功率半导体技术，提供一种智能功率模块IPM、控制方法及设备，包括检测电路，用于接收信号输入端子传输的脉冲宽度调制PWM信号，并基于PWM信号检测电流变化区域；栅极电阻切换电路，分别与检测电路和功率开关元件电连接，用于接收检测电路的检测结果和信号输入端子传输的PWM信号，并在检测结果为低电流区域时栅极电阻切换至第一电阻模式，并在第一电阻模式下基于PWM信号控制功率开关元件的导通或者关断；或者，在检测结果为高电流区域时栅极电阻切换至第二电阻模式，并在第二电阻模式下基于PWM信号控制功率开关元件的导通或者关断；其中第一电阻模式下的电阻值大于第二电阻模式下的电阻值。本申请可以均衡IPM的噪声和损耗水平。

Description

智能功率模块IPM、控制方法及设备
技术领域
本申请实施例涉及功率半导体技术。更具体地讲，涉及一种智能功率模块IPM、控制方法及设备。
背景技术
智能功率模块(Intelligent Power Module，简称IPM)常用于家用电器、工业机器和车载产品等电子产品的三相逆变器电路里。目前的IPM具有确定的规格，以适用不同的电子产品。
低损耗作为IPM市场的主要需求，电子产品中更加倾向于使用损耗更低的IPM。其中IPM的低损耗要求通常与IPM的开关速度性能有权衡关系，开关速度快的IPM损耗更低。但如果追求IPM的低损耗，随之开关中电压变化率dVce/dt(开关噪声电平)会变高，因此电磁干扰(Electromagnetic Interference，EMI)噪声级别也会更高。如果不能满足应用中要求的EMI噪声级别，用户将放弃采用该IPM，而选择低噪声电平的尽管损耗较大的低速开关规格的IPM。换言之，如果IPM不能满足应用中要求的EMI噪声级别，低损耗优势也将无法发挥，用户通常只能采用低速开关。而目前没有可以有效均衡应用所需噪声水平和损耗的IPM，导致用户使用体验较差。
发明内容
本申请实施例提供一种智能功率模块IPM、控制方法及设备，可以解决IPM不能满足应用要求的EMI噪声级别，无法发挥IPM低损耗优势的问题。
第一方面，本申请实施例提供一种智能功率模块IPM，包括信号输入端子、第一IC和功率开关元件；其中，第一IC包括检测电路和栅极电阻切换电路；
检测电路，用于接收信号输入端子传输的脉冲宽度调制PWM信号，并基于PWM信号检测电流变化区域，电流变化区域包括在预设阈值范围内的低电流区域或者在预设阈值范围外的高电流区域；
栅极电阻切换电路，分别与检测电路和功率开关元件电连接，用于接收检测电路的检测结果和信号输入端子传输的PWM信号，并在检测结果为低电流区域时栅极电阻切换至第一电阻模式，并在第一电阻模式下基于PWM信号控制功率开关元件的导通或者关断；
或者，在检测结果为高电流区域时栅极电阻切换至第二电阻模式，并在第二电阻模式下基于PWM信号控制功率开关元件的导通或者关断；其中，第一电阻模式下的电阻值大于第二电阻模式下的电阻值。
本申请实施例提供的上述IPM，通过在IPM中设置检测电路和栅极电阻切换电路，该栅极电阻切换电路中设置两种电阻模式，利用检测电路检测电流变化区域，并根据电流变化区域灵活切换至不同的电阻模式，以实现在小电流区域和大电流区域的电阻灵活切换，进而实现在小电流区域的IPM降噪，同时不会对损耗产生较多影响，从而达到为不同应用提供其所需噪声和损耗水平的IPM的目的，提升了用户使用体验。
在一种实施方式中，第一IC还包括缓冲电路；
缓冲电路，其输入端与信号输入端子电连接，其输出端分别连接至检测电路和栅极电阻切换电路，用于接收信号输入端子传输的PWM信号，并缓存PWM信号，以将PWM信号分别传输至检测电路和栅极电阻切换电路。
本申请实施例提供的上述IPM，通过设置缓冲电路对PWM信号进行缓冲，可以解决信号传输中可能出现的容量负载问题。
在一种实施方式中，栅极电阻切换电路包括切换模块、基准栅极电阻电路和可调栅极电阻电路；基准栅极电阻电路包括导通栅极电阻RG1和关断栅极电阻RG2；可调栅极电阻电路与RG1和RG2之间的导线电连接，其包括调节栅极电阻RG和与RG并联的且连接在RG两端之间的负载开关；
切换模块，其输入端与缓冲电路连接，其输出端与基准栅极电阻电路电连接，用于接收PWM信号，并根据PWM信号切换连接至RG1或者RG2；
可调栅极电阻电路，其输入端还和检测电路电连接，用于接收检测电路的检测结果，并在检测结果为低电流区域时，驱动负载开关关断，以切换至栅极电阻的阻值为RG1与RG之和或者栅极电阻的阻值为RG2与RG之和对应的第一电阻模式；或者，在检测结果为高电流区域时，驱动负载开关导通，使得切换至栅极电阻的阻值为RG1或者栅极电阻的阻值为RG2对应的第二电阻模式。
本申请实施例提供的上述IPM，栅极电阻切换电路包括切换模块、基准栅极电阻电路和可调栅极电阻电路，通过改变可调栅极电阻的电阻大小实现电阻模式的切换，进而协调IPM的低噪声和低损耗水平。
在一种实施方式中，切换模块包括反相器、PMOS晶体和NMOS晶体管；其中，
反相器的输入端与缓冲电路电路电连接，其输出端分别与PMOS晶体和NMOS晶体管连接，用于接收缓冲电路传输的PWM信号，并将PWM信号对应的高电平信号或者低电平信号反相后输出至PMOS晶体或者NMOS晶体管，以实现PMOS晶体的导通，并切换至RG1，或者实现NMOS晶体管的导通，并切换至RG2；
PMOS晶体管的栅极分别与反相器和NMOS晶体管的栅极电连接，其源极与电源VDD电连接，其漏极依次经过RG1和RG2与NMOS晶体管的漏极电连接；
NMOS晶体管的栅极分别与反相器和PMOS晶体管的栅极电连接，其源极接地，其漏极依次经过RG2和RG1连接至PMOS晶体管的漏极。
本申请实施例提供的上述IPM，切换模块采用反相器、PMOS晶体和NMOS晶体管，根据PWM信号的电平信号对RG1和RG2进行导通或者关断，实现对导通或关断过程中的降噪处理和低损耗处理。
在一种实施方式中，信号输入端子包括U相信号输入端子、V相信号输入端子和W相信号输入端子；PWM信号包括U相信号、V相信号和W相信号。
本申请实施例提供的上述IPM，可以结合U相信号、V相信号和W相信号，对IPM中各个功率开关元件的驱动进行降噪处理和低损耗处理。
在一种实施方式中，检测电路包括相间比较电路和栅极电阻切换信号发生电路；其中，
相间比较电路用于比较U相信号、V相信号和W相信号两两之间形成的相间信号大小；
栅极电阻切换信号发生电路，与相间比较电路连接，用于接收相间比较电路输出的相间信号大小，并基于相间信号大小分别分析出U相信号、V相信号和W相信号各自的相间电压，并基于相间电压检测出各相信号对应的电流变化区域。
本申请实施例提供的上述IPM，利用相间比较电路比较各相信号之间的相间信号大小，并利用栅极电阻切换信号发生电路分析各相信号之间的相间电压，利用相间电压检测各相信号对应的电流变化区域，准确性更高。
在一种实施方式中，相间比较电路包括第一比较器、第二比较器和第三比较器，栅极电阻切换信号发生电路包括第一异或非门、第二异或非门和第三异或非门；
第一比较器的输入端分别连接至U相信号输入端子和V相信号输入端子，其输出端连接至第一异或非门或者第二异或非门，用于比较U相信号输入端子输入的U相信号和V相信号输入端子输入的V相信号之间的第一相间信号大小，并将第一相间信号大小输入至第一异或非门或者第三异或非门；第二比较器的输入端分别连接至U相信号输入端子和W相信号输入端子，其输出端分别连接至第一异或非门或者第三异或非门，用于比较U相信号输入端子输入的U相信号和W相信号输入端子输入的W相信号之间的第二相间信号大小，并将第二相间信号大小输入至第一异或非门或者第三异或非门；第三比较器的输入端分别连接至V相信号输入端子和W相信号输入端子，其输出端分别连接至第二异或非门或者第三异或非门，用于比较V相信号输入端子输入的V相信号和W相信号输入端子输入的W相信号之间的第三相间信号大小，并将第三相间信号大小输入至第二异或非门或者第三异或非门；
第一异或非门的输入端分别连接至第一比较器和第二比较器，其输出端连接至栅极电阻切换电路，用于根据第一相间信号大小和第二相间信号大小分析出U相信号的相间电压，并基于相间电压检测出U相信号对应的电流变化区域，以输出至栅极电阻切换电路；第二异或非门的输入端分别连接至第一比较器和第三比较器，其输出端连接至栅极电阻切换电路，用于根据第一相间信号大小和第三相间信号大小分析出V相信号的相间电压，并基于相间电压检测出V相信号对应的电流变化区域，以输出至栅极电阻切换电路；第三异或非门的输入端分别连接至第二比较器和第三比较器，其输出端连接至栅极电阻切换电路，用于根据第二相间信号大小和第三相间信号大小分析出W相信号的相间电压，并基于相间电压检测出W相信号对应的电流变化区域，以输出至栅极电阻切换电路。
本申请实施例提供的上述IPM，利用比较器和逻辑门进行相间电压大小的检测，可以提高检测结果的精确性。
在一种实施方式中，相间比较电路还包括与第一比较器、第二比较器和第三比较器分别对应的二极管和电容；其中，
每个二极管的输入端连接至第一比较器/第二比较器/第三比较器，其输出端连接至第一异或非门/第二异或非门/第三异或非门；
每个电容的输入端分别连接至每个二极管与第一异或非门/第二异或非门/第三异或非门之间的连接导线，其输出端接地。
本申请实施例提供的上述IPM，通过在相间比较电路中设置二极管和电容，可以防止电流反向以及电磁干扰，进一步提高检测结果的准确性。
第二方面，本申请提供一种智能功率模块IPM的控制方法，包括：
检测电路接收外部控制器基于信号输入端子向IPM传输的PWM信号，并基于PWM信号检测电流变化区域，电流变化区域包括在预设阈值范围内的低电流区域或者在预设阈值范围外的高电流区域；
栅极电阻切换电路接收检测电路的检测结果和外部控制器基于信号输入端子向IPM传输的PWM信号，并在检测结果为低电流区域时栅极电阻切换至第一电阻模式，并在第一电阻模式下基于PWM信号控制功率开关元件的导通或者关断；
或者，在检测结果为高电流区域时栅极电阻切换至第二电阻模式，并在第二电阻模式下基于PWM信号控制功率开关元件的导通或者关断；其中，第一电阻模式下的电阻值大于第二电阻模式下的电阻值。
在一种实施方式中，该控制方法用于执行上述第一方面中的任一种可能的实现方式。
第三方面，提供一种电子设备，该电子设备包括的IPM，还包括与IPM电连接的外部控制器，其中，外部控制器用于向IPM传输PWM信号。
在一种实施方式中，该电子设备用于执行上述第一方面中的任一种可能的实现方式。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或相关技术中的实施方式，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为相关技术中IPM的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种IPM的结构示意图之一；
图3为本申请实施例中开关电流随时间变化的曲线图；
图4为本申请实施例中开关电压随时间变化的曲线图；
图5为本申请实施例中开关功耗随时间变化的曲线图；
图6为本申请实施例中开关电流变化率波形图之一；
图7为本申请实施例中开关电流变化率波形图之二；
图8为本申请实施例中开关电压变化率波形图之一；
图9为本申请实施例中开关电压变化率波形图之二；
图10为本申请实施例中EMI噪声产生的示意图；
图11为本申请实施例中随电流大小变化的电压变化率的曲线图；
图12为本申请实施例中随电阻大小变化的电压变化率的曲线图；
图13为本申请实施例提供的另一种IPM的结构示意图之一；
图14为本申请实施例提供的另一种IPM的结构示意图之二；
图15为本申请实施例中结合相间信号获取各相信号的相间电压的示意图；
图16为本申请实施例中相间比较电路1211的结构示意图；
图17为本申请实施例中栅极电阻切换信号发生电路1212的结构示意图；
图18为本申请实施例中栅极电阻切换电路的结构示意图之一；
图19为本申请实施例中栅极电阻切换电路的结构示意图之二；
图20为本申请实施例提供的又一种IPM的结构示意图；
图21为本申请实施例提供的一种IPM的控制方法的流程示意图；
图22为本申请实施例提供的一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、实施方式和优点更加清楚，下面将结合本申请示例性实施例中的附图，对本申请示例性实施方式进行清楚、完整地描述，显然，所描述的示例性实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。
需要说明的是，本申请中对于术语的简要说明，仅是为了方便理解接下来描述的实施方式，而不是意图限定本申请的实施方式。除非另有说明，这些术语应当按照其普通和通常的含义理解。
此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖但不排他的包含，例如，包含了一系列组件的产品或设备不必限于清楚地列出的那些组件，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些产品或设备固有的其它组件。
智能功率模块IPM常用于家用电器(如变频空调)、工业机器和车载产品等的三相逆变器电路里，是一种先进的功率开关器件。IPM通常由高速且低功率的绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，简称IGBT)芯片和门级驱动及保护电路构成，其在三相逆变器电路中，作为与外部的接口，包括用于驱动电机的脉宽调制(Pulse WidthModulation，PWM)信号输入端子、传递保护动作的输出端子等端子，微控制器(Microcontroller Unit，MCU)利用信号输入端子向IPM输入PWM三相信号，以控制IGBT的导通。结合图1所示，为相关技术提供的一种可能的IPM的结构示意图。
用户在使用IPM时，具有低损耗的需求。IPM的低损耗要求通常与IPM的开关速度性能有权衡关系，开关速度快的IPM损耗更低，但随之而来的噪声也会更大。由于目前的IPM的规格确定，如果用户具有低损耗需求，而具有较好低损耗需求对应IPM的噪声较大无法满足用户的噪声需求时，用户也仅能够选择低噪声电平但损耗效果没有这么好的低速开关规格的IPM。
有鉴于此，本申请实施例提供一种智能功率模块IPM、控制方法及设备，通过对现有的IPM结构进行改进，设置检测电路和栅极电阻切换电路，通过对多种电阻模式进行切换，以实现不同应用的低损耗需求，同时不会产生较大噪声。具体地，该IPM包括检测电路，用于接收信号输入端子传输的脉冲宽度调制PWM信号，并基于PWM信号检测电流变化区域，电流变化区域包括在预设阈值范围内的低电流区域或者在预设阈值范围外的高电流区域；栅极电阻切换电路，分别与检测电路和功率开关元件电连接，用于接收检测电路的检测结果和信号输入端子传输的PWM信号，并在检测结果为低电流区域时栅极电阻切换至第一电阻模式，并在第一电阻模式下基于PWM信号控制功率开关元件的导通或者关断；或者，在检测结果为高电流区域时栅极电阻切换至第二电阻模式，并在第二电阻模式下基于PWM信号控制功率开关元件的导通或者关断；其中，第一电阻模式下的电阻值大于第二电阻模式下的电阻值。此过程中，通过检测电流区域切换栅极电阻来控制开关速度，以降低EMI噪声或者降低损耗；在低电流区域时切换至大电阻模式，其抑制了EMI噪声，同时对总损失影响小不会导致总损耗的增加。
下面结合具体地实施例对本申请的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
图2为本申请实施例提供的一种智能功率模块IPM的结构示意图，该IPM可以应用于三相逆变器电路中。如图2所示，IPM包括信号输入端子110、第一IC120和功率开关元件130；其中，第一IC120包括检测电路121和栅极电阻切换电路122；
检测电路121，用于接收信号输入端子110传输的脉冲宽度调制PWM信号，并基于PWM信号检测电流变化区域，电流变化区域包括在预设阈值范围内的低电流区域或者在预设阈值范围外的高电流区域；
栅极电阻切换电路122，分别与检测电路121和功率开关元件130电连接，用于接收检测电路121的检测结果和信号输入端子110传输的PWM信号，并在检测结果为低电流区域时栅极电阻切换至第一电阻模式，并在第一电阻模式下基于PWM信号控制功率开关元件130的导通或者关断；或者，在检测结果为高电流区域时栅极电阻切换至第二电阻模式，并在第二电阻模式下基于PWM信号控制功率开关元件130的导通或者关断；其中，第一电阻模式下的电阻值大于第二电阻模式下的电阻值。
本实施例中，信号输入端子110可以为IPM自带的信号输入端子，例如U相信号输入端子，和/或V相信号输入端子，和/或W相信号输入端子；PWM信号对应U相信号和/或V相信号和/或W相信号，结合U相信号、V相信号和W相信号，对IPM中各个功率开关元件的驱动进行降噪处理和低损耗处理。在一些实施例中，信号输入端子110也可以是为了测量电流变化区域的新增端子，本领域技术人员可以结合实际应用和现有技术对IPM进行开发，在IPM上增加的除了上述信号输入端子之外的专门用于检测电流变化区域的信号输入端子。
本实施例中，第一IC120可以为低压集成电路(Low Voltage IntegratedCircuit，LVIC)，可以理解的，IC按照其工作电压高低可分为低压集成电路和高压集成电路两种。
本实施例中，功率开关元件可以是高速且低功率的绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，简称IGBT)开关。IPM包括U、V、W相信号输入端子时，功率开关元件包括各相信号对应多个IGBT开关。
本实施例中，检测电路121可以采用电流检测电路，例如三极管电流检测电路，以检测随时间变化的电流大小在电流变化区域中的高电流区域还是低电流区域。考虑到IPM存在多相信号的输入，不同相信号之间可能互相影响，这将导致电流检测结果不够准确，在一些实施例中，检测电路121也可以采用相间比较电路和栅极电阻切换电路，以实现电流检测的精确度，进而更好的控制IPM的降噪和减损功能，其详细过程可以参见后文，此处不再多作赘述。需要说明的是，本领域技术人员可以结合实际应用和现有技术确定高电流区域和低电流区域，例如，可以通过大量实验判断在多大电流区域范围内，该电流区域影响IPM损耗更大，将该区域范围确定为高电流区域，反之，确定为低电流区域。
本实施例中，栅极电阻切换电路122可以由第一电阻模式和第二电阻模式对应电阻阻值的可切换电路组成。在一些实施例中，为了降低IPM的开发成本，可以在IPM现有的栅极电阻的基础上，增加一个或多个电阻，并通过在增加的电阻两端并联负载开关，以实现不同电阻模式的切换，其具体过程可以详见后文，此处不再赘述。
在一可实现中，在恒流(低电流)区域，电压(流)变化率dv/dt(dI/dt)高，容易产生噪声，切换至第一电阻模式增大栅极电阻，开关速度降低，进而降低噪声；在高电流区域，电压(流)变化率dv/dt(dI/dt)低，不容易产生噪声，IPM切换至第二电阻模式减小栅极电阻，高速开关速度增加，以降低损耗。需要说明的是，在一些实施例中，还可以设置更多组的电阻模式，例如第三电阻模式、第四电阻模式，进一步细化各个电阻模式中的电阻大小，以适应更多的IPM应用场景。
本实施例通过在IPM内置检测电路121和栅极电阻切换电路122，实现IPM的栅极电阻切换功能，通过区分低电流区域和高电流区域，输出电流切换栅极电阻来控制开关速度，降低EMI噪声。由于仅在低电流区域时切换为更大的栅极电阻，因此对总损耗影响小，可以抑制总损耗增加，同时抑制EMI噪声。
为便于对本申请实施例，结合图3-图12进行说明：
可以理解的，IPM损耗即功率开关元件(以下简称开关)导通和关断瞬变期间开关产生的功耗，其主要由开关导通(ON)和关断(OFF)时间之间消耗的功率脉冲计算得到，因此功耗的计算估计值可以通过在一个开关周期内对Ic*Vce进行积分获取，其中Ic为开关的集电极电流，Vce为开关的集电极-发射极电压，图3-图5示出了开关功耗随时间变化的示意图，如图3-图5所示，I(t)表示一个开关周期内的(集电极)电流大小，VCE(t)表示一个开关周期内的集电极-发射极电压，VDS(t)表示一个开关周期内的基极电压，VDD表示电源电压，从可以看出电流越大，损耗影响越大(因此电流越小，对开关损耗的影响也越小，在低电流区域进行降噪，对开关的损耗影响也较小)。其中，功耗的计算估计值可以通过在一个开关周期内对Ic*Vce进行积分得到，可以参考如下公式：
Eloss＝∫w(t)dt
w(t)＝I(t)*VCE(t)
式中，Eloss表示IPM损耗，w(t)表示一个开关周期内的功率，Ic(t)表示一个开关周期内的集电极电流，VCE(t)表示一个开关周期内的集电极-发射极电压。
图6-图9分别示出了开关导通(ON)和关断(OFF)情况下的电流(集电极)和电压的波形图，对应电压变化率的EMI噪声变化，结合图6-图9所示，电压(流)变化率(dIc/dt、dVce/dt)越大，更容易产生EMI噪声，电压(流)变化率(dIc/dt、dVce/dt)越大，EMI噪声也越小。可以理解的，开关时的dVce/dt、dIc/dt变化导致浮游电感、浮游电容影响产生噪声，如图10所示。
进一步地，图11和图12示出了随电流大小变化的电压变化率的示意图和随(栅极)电阻大小变化的电压变化率的示意图。图11可以看出，40A以下时电压变化率dVce/dt比40A以上的电压变化率dVce/dt更加陡峭，也就是说，40A以下更加容易产生噪声；图12可以看出，栅极电阻4Ω以下时电压变化率dVce/dt曲线更加陡峭，而在4Ω以上尤其在8Ω更为平缓，如果能够将40A以下的栅极电阻控制在8Ω以上，将可以有效降低噪声，而在40A以上，由于噪声影响较小，控制在4Ω不再上升，可以有效降低损耗。由此可见，本实施例采用上述技术手段可以灵活实现IPM的降噪和低损耗功能。
本申请实施例提供的上述IPM，通过在IPM中设置检测电路121和栅极电阻切换电路122，该栅极电阻切换电路中设置两种电阻模式，利用检测电路检测电流变化区域，并根据电流变化区域灵活切换至不同的电阻模式，以实现在小电流区域和大电流区域的电阻灵活切换，进而实现在小电流区域的IPM降噪和大电流区域的减耗，从而达到为不同应用提供其所需噪声和损耗水平的IPM的目的，提升了用户使用体验。
请参照图13和图14，本申请实施例提供的另一种IPM，该IPM可以为图1基础上改进的IPM结构，由于检测电路需要利用PWM信号进行电流区域的检测，同时栅极电阻切换电路需要利用PWM信号进行栅极电阻的驱动，为了提高PWM信号的可靠性，本实施例增加缓冲电路，对PWM信号进行缓冲，以进一步提高栅极电阻切换电路的可靠性。具体地，第一IC120还包括缓冲电路123；
缓冲电路123，其输入端与信号输入端子110电连接，其输出端分别连接至检测电路121和栅极电阻切换电路122，用于接收信号输入端子110传输的PWM信号，并缓存PWM信号，以将PWM信号分别传输至检测电路121和栅极电阻切换电路122。
其中，第一IC为低压集成电路，信号输入端子包括UN相信号输入端子、VN相信号输入端子和WN相信号输入端子。
本申请实施例提供的上述IPM，通过设置缓冲电路对PWM信号进行缓冲，可以提高PWM信号的可靠性，以进一步提高栅极电阻切换电路的可靠性，并可以解决信号传输中可能出现的容量负载问题。
进一步地，图14示出了一种可能的检测电路121的结构示意图，该检测电路121包括相间比较电路1211和栅极电阻切换信号发生电路1212；其中，
相间比较电路1211用于比较U相信号、V相信号和W相信号两两之间形成的相间信号大小；栅极电阻切换信号发生电路1212，与相间比较电路1211连接，用于接收相间比较电路输出的相间信号大小，并基于相间信号大小分别分析出U相信号、V相信号和W相信号各自的相间电压，并基于相间电压检测出各相信号对应的电流变化区域。
本实施例中，缓冲电路123从(U、V、W)信号输入端子接收外部控制器(例如微控制器MCU)传输的三相PWM信号，并对三相PWM信号进行缓存，然后将PWM信号分别传输到检测电路121和栅极电阻切换电路122(可以根据相应的时钟进行PWM信号传输的控制)。本领域技术人员可以理解的，三相PWM信号是各相上/下开关的ton/toff信号，受该脉冲限制的电压将施加到各功率开关元件上，实现各功率开关元件的导通或者关断。
本实施例中的IPM可由三组开关组成，通过获取每个PWM信号之间的差值(例如占空比差值，或脉宽)获得的信号即可得到相间信号大小，即U-V，V-W，W-U的组合，图15示出了结合相间信号获取各相信号的相间电压的示意图，其中，UN为低侧接收到的U相信号，VN为低侧接收到的V相信号，WN为低侧接收到的W相信号，UN-VN为低侧U相信号和V相信号的相间信号大小，VN-WN为低侧V相信号和W相信号的相间信号大小，WN-UN为低侧W相信号和U相信号的相间信号大小，并分别示出了U>V、V>W、W>U的区域，GS_U为U相信号的相间电压，GS_V为V相信号的相间电压，GS_W为W相信号的相间电压，该相间电压的变化区域即对应电流变化区域，图中对应箭头区域，即低电流区域，反之高电流区域，将检测结果输出值栅极电阻切换模块，即可实现栅极电阻的切换。此外，图中的“+”、“-”分别表示高侧和低侧的on。
在另一可实现中，还可以直接将脉宽UN-VN和预设阈值(本领域技术人员可以结合实际应用和现有技术进行适应性确定)进行比较，当该脉冲宽度低于该预设阈值，认为是低电流区域，并生成有源信号，将该有源信号作为检测结果传输到栅极电阻切换电路，栅极电阻切换至更大电阻值的电阻模式，以实现对IPM进行降噪，并且不会对功耗产生较多影响。
本申请实施例提供的上述IPM，检测电路121采用相间比较电路1211比较各相信号之间的相间信号大小，并利用栅极电阻切换信号发生电路1212分析各相信号之间的相间电压，利用相间电压检测各相信号对应的电流变化区域，相较于普通电流检测电路，可以减少相间信号干扰，检测结果准确性更高。
进一步地，为了提高检测结果的准确性，本实施例中的相间比较电路1211包括第一比较器、第二比较器和第三比较器，栅极电阻切换信号发生电路1212包括第一异或非门、第二异或非门和第三异或非门；第一比较器的输入端分别连接至U相信号输入端子和V相信号输入端子，其输出端连接至第一异或非门或者第二异或非门，用于比较U相信号输入端子输入的U相信号和V相信号输入端子输入的V相信号之间的第一相间信号大小，并将第一相间信号大小输入至第一异或非门或者第三异或非门；第二比较器的输入端分别连接至U相信号输入端子和W相信号输入端子，其输出端分别连接至第一异或非门或者第三异或非门，用于比较U相信号输入端子输入的U相信号和W相信号输入端子输入的W相信号之间的第二相间信号大小，并将第二相间信号大小输入至第一异或非门或者第三异或非门；第三比较器的输入端分别连接至V相信号输入端子和W相信号输入端子，其输出端分别连接至第二异或非门或者第三异或非门，用于比较V相信号输入端子输入的V相信号和W相信号输入端子输入的W相信号之间的第三相间信号大小，并将第三相间信号大小输入至第二异或非门或者第三异或非门；第一异或非门的输入端分别连接至第一比较器和第二比较器，其输出端连接至栅极电阻切换电路122，用于根据第一相间信号大小和第二相间信号大小分析出U相信号的相间电压，并基于相间电压检测出U相信号对应的电流变化区域，以输出至栅极电阻切换电路122；第二异或非门的输入端分别连接至第一比较器和第三比较器，其输出端连接至栅极电阻切换电路122，用于根据第一相间信号大小和第三相间信号大小分析出V相信号的相间电压，并基于相间电压检测出V相信号对应的电流变化区域，以输出至栅极电阻切换电路；第三异或非门的输入端分别连接至第二比较器和第三比较器，其输出端连接至栅极电阻切换电路，用于根据第二相间信号大小和第三相间信号大小分析出W相信号的相间电压，并基于相间电压检测出W相信号对应的电流变化区域，以输出至栅极电阻切换电路122。
可以理解的，比较器是将一个模拟电压信号(即U、V、W相信号)与一个基准电压(VDD电源电压)相比较的电路。比较器的两路输入为模拟信号，输出则为二进制信号0或1，当输入电压的差值增大或减小且正负符号不变时，其输出保持恒定。异或非门，又称同或门(XNOR gate或equivalence gate)，在异或门的输出端再加上一个非门就构成了异或非门，是数字逻辑电路的基本单元，其有2个输入端、1个输出端，当2个输入端中有且只有一个是低电平(逻辑0)时，输出为低电平。亦即当输入电平相同时，输出为高电平(逻辑1)。
在一可实现中，对于第一比较器，比较U相信号和V相信号的大小(第一相间信号大小)，在U>V时，输出到第一异或非门，在V>U时，输出到第二异或非门；对第二比较器，在W>U时，输出到第一异或非门，在U>W时，输出到第三异或非门；对于第三比较器，比较V相信号和W相信号的大小，在V>W时，输出到第二异或非门，在W>V时，输出到第三异或非门。
在一可实现中，对于第一异或非门，分析U>V和W>U是否同时成立，如果同时成立，输出GS_U(作为栅极电阻切换至第一电阻模式的U相信号的相间电压)；对于第二异或非门，分析V>W和U>V是否同时成立，如果同时成立，输出GS_V(作为栅极电阻切换至第一电阻模式的V相信号的相间电压)；对于第三异或非门，分析W>U和V>W是否同时成立，如果同时成立，输出GS_W(作为栅极电阻切换至第一电阻模式的W相信号的相间电压)。
结合图16和图17所示，图16示出了用于比较U相信号和V相信号的第一比较器161，图17示出了用于分析第一相间信号(U>V)和第二相间信号(W>U)的第一异或非门171，可以理解的，第二比较器、第三比较器与第一比较器同理，第二异或非门和第三异或非门与第一异或非门同理，此处不再赘述。
本申请实施例提供的上述IPM，利用比较器和逻辑门进行相间电压大小的检测，可以提高检测结果的精确性。
继续结合图16所示，为进一步提高检测结果的准确性，相间比较电路1211除了第一比较器161、第二比较器和第三比较器等元件外，还包括与第一比较器161、第二比较器和第三比较器分别对应的二极管162和电容163；其中，
每个二极管162的输入端连接至第一比较器161/第二比较器/第三比较器，其输出端连接至第一异或非门/第二异或非门/第三异或非门；
每个电容163的输入端分别连接至每个二极管162与第一异或非门171/第二异或非门/第三异或非门之间的连接导线，其输出端接地。
本申请实施例提供的上述IPM，通过在相间比较电路中设置二极管和电容，可以防止电流反向以及电磁干扰，进一步提高检测结果的准确性。
在一种实施方式中，图14还示出了栅极电阻切换电路的可能结构，栅极电阻切换电路122包括切换模块1221、基准栅极电阻电路1222和可调栅极电阻电路1223；基准栅极电阻电路1222包括导通栅极电阻RG1和关断栅极电阻RG2；可调栅极电阻电路1223与RG1和RG2之间的导线电连接，其包括调节栅极电阻RG和与RG并联的且连接在RG两端之间的负载开关；
切换模块1221，其输入端与缓冲电路123连接，其输出端与基准栅极电阻电路1222电连接，用于接收PWM信号，并根据PWM信号切换连接至RG1或者RG2；
可调栅极电阻电路1223，其输入端还和检测电路121电连接，用于接收检测电路121的检测结果，并在检测结果为低电流区域时，驱动负载开关关断，以切换至栅极电阻的阻值为RG1与RG之和或者栅极电阻的阻值为RG2与RG之和对应的第一电阻模式；或者，在检测结果为高电流区域时，驱动负载开关导通，使得切换至栅极电阻的阻值为RG1或者栅极电阻的阻值为RG2对应的第二电阻模式。
具体地，检测结果输出到栅极电阻后，可用于驱动栅极电阻切换电路中的负载开关，以切换驱动IGBT的栅极电阻。
结合上述分析，具有小电流输出电平的区域(即低电流区域)主导了EMI噪声水平。因此，如果将IPM内部的栅极电阻划分为电流小输出区域和大输出区域，在IPM中自动设置在电流输出较小的区域切换到大栅极电阻(第一电阻模式)，并在电流输出电平变大时切换到小栅极电阻(第二电阻模式)，可以实现具有抑制EMI噪声水平的IPM。如图17，RG和负载开关设置在普通栅极驱动器电路(即RG1和RG2对应的基准栅极电路)的输出段RG在电流输出高的区域短路至RG＝0。在电流输出低的区域，关闭负载开关，并在正常时对栅极电阻施加RG以驱动的方法。由于损耗与电流电平成正比，因此即使在低输出时增加栅极电阻，与大电流输出相比，也可以抑制对损耗的影响。
本申请实施例提供的上述IPM，栅极电阻切换电路包括切换模块、基准栅极电阻电路和可调栅极电阻电路，通过改变可调栅极电阻的电阻大小实现电阻模式的切换，进而协调IPM的低噪声和低损耗水平。
进一步地，以U相信号对应的IGBT控制回路为例，如图18和图19所示，切换模块1221包括反相器、PMOS晶体和NMOS晶体管；其中，
反相器的输入端与缓冲电路电路电连接，其输出端分别与PMOS晶体和NMOS晶体管连接，用于接收缓冲电路传输的PWM信号，并将PWM信号对应的高电平信号或者低电平信号反相后输出至PMOS晶体或者NMOS晶体管，以实现PMOS晶体的导通，并切换至RG1，或者实现NMOS晶体管的导通，并切换至RG2；
PMOS晶体管的栅极分别与反相器和NMOS晶体管的栅极电连接，其源极与电源VDD电连接，其漏极依次经过RG1和RG2与NMOS晶体管的漏极电连接；
NMOS晶体管的栅极分别与反相器和PMOS晶体管的栅极电连接，其源极接地，其漏极依次经过RG2和RG1连接至PMOS晶体管的漏极。
为便于理解，图18和图19中的前段回路对应缓冲电路123和检测电路121，通过接收前段回路输出的PWM信号控制基准栅极电阻电路的导通/关断，并接收前段回路输出的检测结果控制负载开关的导通或关断，实现第一电阻模式和第二电阻模式的灵活切换。其中，图18示例了在高电流区域导通负载开关的第二电阻模式，图19示例了在低电流区域关断负载开关的第一电阻模式，其中，反相器输入端的凹形符号表示低电平信号，其输出端的凸形符号表示高电平信号，QON表示开关导通二极管，QOFF表示开关关断二极管。
在一可实现中，反相器的输出端还连接电阻，具体地，反相器输出端经由一电阻串联后分别与PMOS晶体和NMOS晶体管连接。通过在反相器输出端加电阻的形式，可以有效限制输出电流的流动，从而控制电路中的电流大小，达到保护电路中的其他元件以及控制电路的正常工作的目的。
本申请实施例提供的上述IPM，切换模块采用反相器、PMOS晶体和NMOS晶体管，根据PWM信号的电平信号对RG1和RG2进行导通或者关断，实现对导通或关断过程中的降噪处理和低损耗处理。
在一种实施方式中，结合图20所示，该IPM还包括第二IC140，第一IC120和第二IC140通过引线框进行组装，其中，第二IC140的电源接地端(VNC1)和第一IC的电源接地端(VNC2)连接；其中，第一IC为低压集成电路LVIC，第二IC为高压集成电路HVIC。
可选地，IPM可以包括多个低压集成电路LVIC和多个高压集成电路HVIC，本领域技术人员可以结合实际应用适应性设定LVIC和HVIC的数量。
请参照图21，本申请实施例相应还提供一种智能功率模块IPM的控制方法，如图21所示，包括：
步骤S211、检测电路接收外部控制器基于信号输入端子向IPM传输的PWM信号，并基于PWM信号检测电流变化区域，电流变化区域包括在预设阈值范围内的低电流区域或者在预设阈值范围外的高电流区域；
步骤S212、栅极电阻切换电路接收检测电路的检测结果和外部控制器基于信号输入端子向IPM传输的PWM信号，并在检测结果为低电流区域时栅极电阻切换至第一电阻模式，并在第一电阻模式下基于PWM信号控制功率开关元件的导通或者关断；
或者，在检测结果为高电流区域时栅极电阻切换至第二电阻模式，并在第二电阻模式下基于PWM信号控制功率开关元件的导通或者关断；其中，第一电阻模式下的电阻值大于第二电阻模式下的电阻值。
在一种实施方式中，该控制方法用于执行上述第一方面中的任一种可能的实现方式。其实现原理和技术效果类似，在此不再赘述。
请参照图22，图22为本申请实施例提供的一种电子设备，如图22所示，该电子设备包括的IPM100，还包括与IPM100电连接的外部控制器200，其中，外部控制器200用于向IPM100传输PWM信号。
在一种实施方式中，该电子设备用于执行上述第一方面中的任一种可能的实现方式。其实现原理和技术效果类似，在此不再赘述。
本实施例中，外部控制为微控制器MCU，从MCU驱动IPM的PWM信号被输入到输入端子，该PWM信号是打开和关闭IGBT以驱动电机开/关的信号。PWM信号是一种称为脉宽调制的调制信号，其目的是通过改变占空比来控制IPM中IGBT的ON/OFF时间将负载乘以预定电压，并控制由此流动的电流，因此，当PWM信号的ON占空比较长时，IGBT传导大量电流，当ON占空比较窄时，少量电流流动。其中，在低电流区域＝导通占空比窄，IGBT特性上开关速度变快，高电压(流)变化率dVce/dt和高dlc/dt，导致当时产生噪声；高电流区域＝导通占空比长，IGBT特性上开关速度变慢，低电压(流)变化率dVce/dt和低dlc/dt，噪声减小。因此，本实施例针对不同的电流变化区域，将栅极电阻切换至不同的电阻模式，以降低噪声，同时不会对功耗产生较大影响。
IPM的输出特性在IPM设计阶段根据应用的规格基本确定，导致目前的IPM难以同时满足低损耗和低噪声需求。本实施例通过在主要使用的电流频段可以实现低损耗，并通过检测电流变化区域调谐到噪声不成问题的区域，从而满足用户的低损耗和低噪声需求，有效提升了用户的使用体验。
本申请还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质可以包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random AccessMemory)、磁盘或者光盘等各种可以存储程序代码的介质，具体的，该计算机可读存储介质中存储有程序指令，程序指令用于上述实施例中的控制方法。
本申请还提供一种程序产品，该程序产品包括执行指令，该执行指令存储在可读存储介质中。显示设备的至少一个控制模块可以从可读存储介质读取该执行指令，至少一个控制模块执行该执行指令使得显示设备实施上述的各种实施方式提供的控制方法。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。
为了方便解释，已经结合具体的实施方式进行了上述说明。但是，上述示例性的讨论不是意图穷尽或者将实施方式限定到上述公开的具体形式。根据上述的教导，可以得到多种修改和变形。上述实施方式的选择和描述是为了更好的解释原理以及实际的应用，从而使得本领域技术人员更好的使用实施方式以及适于具体使用考虑的各种不同的变形的实施方式。

Claims (10)

1.一种智能功率模块IPM，其特征在于，包括信号输入端子、第一IC和功率开关元件；其中，所述第一IC包括检测电路和栅极电阻切换电路；
所述检测电路，用于接收所述信号输入端子传输的脉冲宽度调制PWM信号，并基于所述PWM信号检测电流变化区域，所述电流变化区域包括在预设阈值范围内的低电流区域和在所述预设阈值范围外的高电流区域；
所述栅极电阻切换电路，分别与所述检测电路和所述功率开关元件电连接，用于接收所述检测电路的检测结果和所述信号输入端子传输的所述PWM信号，并在所述检测结果为低电流区域时栅极电阻切换至第一电阻模式，并在所述第一电阻模式下基于所述PWM信号控制所述功率开关元件的导通或者关断；
在所述检测结果为高电流区域时栅极电阻切换至第二电阻模式，并在所述第二电阻模式下基于所述PWM信号控制所述功率开关元件的导通或者关断；其中，所述第一电阻模式下的电阻值大于所述第二电阻模式下的电阻值。
2.根据权利要求1所述的IPM，其特征在于，所述第一IC还包括缓冲电路；
所述缓冲电路，其输入端与所述信号输入端子电连接，其输出端分别连接至所述检测电路和所述栅极电阻切换电路，用于接收信号输入端子传输的所述PWM信号，并缓存所述PWM信号，以将所述PWM信号分别传输至所述检测电路和所述栅极电阻切换电路。
3.根据权利要求2所述的IPM，其特征在于，所述栅极电阻切换电路包括切换模块、基准栅极电阻电路和可调栅极电阻电路；所述基准栅极电阻电路包括导通栅极电阻RG1和关断栅极电阻RG2；所述可调栅极电阻电路与所述RG1和所述RG2之间的导线电连接，其包括调节栅极电阻RG和与所述RG并联的且连接在所述RG两端之间的负载开关；
所述切换模块，其输入端与所述缓冲电路连接，其输出端与所述基准栅极电阻电路电连接，用于接收所述PWM信号，并根据所述PWM信号切换连接至所述RG1或者所述RG2；
所述可调栅极电阻电路，其输入端还和所述检测电路电连接，用于接收所述检测电路的检测结果，并在所述检测结果为低电流区域时，驱动所述负载开关关断，以切换至所述栅极电阻的阻值为所述RG1与所述RG之和或者所述栅极电阻的阻值为所述RG2与所述RG之和对应的第一电阻模式；或者，在所述检测结果为高电流区域时，驱动所述负载开关导通，使得切换至所述栅极电阻的阻值为所述RG1或者所述栅极电阻的阻值为所述RG2对应的第二电阻模式。
4.根据权利要求3所述的IPM，其特征在于，所述切换模块包括反相器、PMOS晶体和NMOS晶体管；其中，
所述反相器的输入端与所述缓冲电路电路电连接，其输出端分别与所述PMOS晶体和NMOS晶体管连接，用于接收所述缓冲电路传输的PWM信号，并将所述PWM信号对应的高电平信号或者低电平信号反相后输出至所述PMOS晶体或者所述NMOS晶体管，以实现所述PMOS晶体的导通，并切换至所述RG1，或者实现所述NMOS晶体管的导通，并切换至所述RG2；
所述PMOS晶体管的栅极分别与所述反相器和所述NMOS晶体管的栅极电连接，其源极与电源VDD电连接，其漏极依次经过所述RG1和所述RG2与所述NMOS晶体管的漏极电连接；
所述NMOS晶体管的栅极分别与所述反相器和所述PMOS晶体管的栅极电连接，其源极接地，其漏极依次经过所述RG2和所述RG1连接至所述PMOS晶体管的漏极。
5.根据权利要求1-4任一项所述的IPM，其特征在于，所述信号输入端子包括U相信号输入端子、V相信号输入端子和W相信号输入端子；所述PWM信号包括U相信号、V相信号和W相信号。
6.根据权利要求5所述的IPM，其特征在于，所述检测电路包括相间比较电路和栅极电阻切换信号发生电路；其中，
所述相间比较电路用于比较所述U相信号、所述V相信号和所述W相信号两两之间形成的相间信号大小；
所述栅极电阻切换信号发生电路，与所述相间比较电路连接，用于接收所述相间比较电路输出的所述相间信号大小，并基于所述相间信号大小分别分析出所述U相信号、所述V相信号和所述W相信号各自的相间电压，并基于所述相间电压检测出各相信号对应的电流变化区域。
7.根据权利要求6所述的IPM，其特征在于，所述相间比较电路包括第一比较器、第二比较器和第三比较器，所述栅极电阻切换信号发生电路包括第一异或非门、第二异或非门和第三异或非门；
所述第一比较器的输入端分别连接至所述U相信号输入端子和所述V相信号输入端子，其输出端连接至所述第一异或非门或者第二异或非门，用于比较所述U相信号输入端子输入的U相信号和所述V相信号输入端子输入的V相信号之间的第一相间信号大小，并将所述第一相间信号大小输入至所述第一异或非门或者所述第二异或非门；所述第二比较器的输入端分别连接至所述U相信号输入端子和所述W相信号输入端子，其输出端分别连接至所述第一异或非门或者所述第三异或非门，用于比较所述U相信号输入端子输入的U相信号和所述W相信号输入端子输入的W相信号之间的第二相间信号大小，并将所述第二相间信号大小输入至所述第一异或非门或者所述第三异或非门；所述第三比较器的输入端分别连接至所述V相信号输入端子和所述W相信号输入端子，其输出端分别连接至所述第二异或非门或者所述第三异或非门，用于比较所述V相信号输入端子输入的V相信号和所述W相信号输入端子输入的W相信号之间的第三相间信号大小，并将所述第三相间信号大小输入至所述第二异或非门或者所述第三异或非门；
所述第一异或非门的输入端分别连接至所述第一比较器和所述第二比较器，其输出端连接至所述栅极电阻切换电路，用于根据所述第一相间信号大小和所述第二相间信号大小分析出U相信号的相间电压，并基于所述相间电压检测出U相信号对应的电流变化区域，以输出至所述栅极电阻切换电路；所述第二异或非门的输入端分别连接至所述第一比较器和所述第三比较器，其输出端连接至所述栅极电阻切换电路，用于根据所述第一相间信号大小和所述第三相间信号大小分析出V相信号的相间电压，并基于所述相间电压检测出V相信号对应的电流变化区域，以输出至所述栅极电阻切换电路；所述第三异或非门的输入端分别连接至所述第二比较器和所述第三比较器，其输出端连接至所述栅极电阻切换电路，用于根据所述第二相间信号大小和所述第三相间信号大小分析出W相信号的相间电压，并基于所述相间电压检测出W相信号对应的电流变化区域，以输出至所述栅极电阻切换电路。
8.根据权利要求7所述的IPM，其特征在于，所述相间比较电路还包括与所述第一比较器、所述第二比较器和所述第三比较器分别对应的二极管和电容；其中，
每个所述二极管的输入端连接至所述第一比较器/所述第二比较器/所述第三比较器，其输出端连接至所述第一异或非门/第二异或非门/第三异或非门；
每个所述电容的输入端分别连接至每个所述二极管与所述第一异或非门/第二异或非门/第三异或非门之间的连接导线，其输出端接地。
9.一种智能功率模块IPM的控制方法，其特征在于，包括：
检测电路接收外部控制器基于信号输入端子向所述IPM传输的PWM信号，并基于所述PWM信号检测电流变化区域，所述电流变化区域包括在预设阈值范围内的低电流区域和在所述预设阈值范围外的高电流区域；
栅极电阻切换电路接收所述检测电路的检测结果和所述外部控制器基于信号输入端子向所述IPM传输的所述PWM信号，并在所述检测结果为低电流区域时栅极电阻切换至第一电阻模式，并在所述第一电阻模式下基于所述PWM信号控制功率开关元件的导通或者关断；
在所述检测结果为高电流区域时栅极电阻切换至第二电阻模式，并在所述第二电阻模式下基于所述PWM信号控制所述功率开关元件的导通或者关断；其中，所述第一电阻模式下的电阻值大于所述第二电阻模式下的电阻值。
10.一种电子设备，其特征在于，该电子设备包括如权利要求1-8任一项所述的IPM，还包括与所述IPM电连接的外部控制器，其中，所述外部控制器用于向所述IPM传输PWM信号。
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