CN203617893U

CN203617893U - 智能功率模块ipm 电路

Info

Publication number: CN203617893U
Application number: CN201320775742.2U
Authority: CN
Inventors: 韦泽锋; 郭旭; 曾玉文
Original assignee: BYD Co Ltd
Current assignee: BYD Semiconductor Co Ltd
Priority date: 2013-11-29
Filing date: 2013-11-29
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2023-11-29

Abstract

本实用新型公开了一种智能功率模块IPM电路，包括：第一至第N IGBT；每个RC电路均包括栅极电阻和栅极电容的第一至第N RC电路，每个RC电路中的栅极电容并联在对应的IGBT的栅极和发射极之间；具有N个输出端且分别与每个RC电路中的栅极电阻相连的用于输出驱动信号以驱动第一至第N IGBT开通或关断的驱动电路。该IPM电路通过在每个IGBT的栅极和发射极之间并联栅极电容，从而实现调小栅极电阻的阻值，且栅极电容能有效吸收IGBT栅极产生的寄生振荡杂波，提高IGBT的噪声承受能力即抗干扰能力，使栅极电压更加平稳，减小了续流二极管恢复时间的浪涌电压，更好地满足用户的需求。

Description

智能功率模块IPM 电路

技术领域

本实用新型涉及电子技术领域，特别涉及一种智能功率模块IPM电路。

背景技术

目前，IPM(Intelligent Power Module，智能功率模块)具有短路保护、过流保护、过热保护和欠压锁定等功能。其中，IPM包括驱动电路、IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）、续流二极管、栅极电阻等。IPM通过调节栅极电阻的大小从而控制IGBT的栅极电压前沿和后沿的陡度，进而控制IGBT的开关损耗。

参考图1所示，为现有技术的IPM电路的一类结构示意图。其中，如图1所示，该电路以驱动电路U_G’控制一个IGBT为例，需要说明的是，虽然该电路以一个为例，但是该电路也可以通过多个驱动器控制多个IGBT的开通和断开，下面将对现有技术中具有多个驱动器从而控制多个IGBT的开通和断开的IPM电路进行详细介绍。

参考图2所示，为现有技术的IPM电路的另一类结构示意图。在此，该电路以驱动电路U_G’控制六个IGBT为例对具有多个驱动器从而控制多个IGBT的开通和断开的IPM电路进行详细介绍。具体地，该电路中的驱动电路U_G’中的驱动器U1’、驱动器U2’、驱动器U3’和驱动器U4’控制对应的IGBT的开通和关断。具体地，驱动电路U_G’中的每个驱动器对对应的IGBT的栅极进行充电以达到栅极开通电压V_GE(on)，或者是对对应的IGBT的栅极进行放电以达到栅极关断电压V_GE(off)，即言，IGBT的开通和关断是通过驱动电路U_G’中的驱动器对栅极电压的充放电从而实现的。

具体地，阻值较小的栅极电阻相应的对应的栅极电压的充放电较快，从而缩短了对应的IGBT的开关时间，减小了对应的IGBT的开关损耗。另外，阻值较小的栅极电阻增强了器件工作的耐固性，即避免了电压变化率dv/dt带来的误开通。需要说明的是，栅极电阻串接在栅极电路中，从而实现改善控制脉冲前沿和后沿的陡度，防止振荡，减小了IGBT的集电极电压的尖脉冲值。

综上所述，栅极电阻的阻值对IGBT的动态特性产生极大的影响，具体描述如下：

（1）栅极电阻的阻值减小时，栅极电压的前沿和后沿变陡，对栅极电压的充放电较快，能缩短对应IGBT的开关时间，减小对应IGBT的开关损耗，增强器件工作的耐固性，避免由于电压变化率dv/dt而误开通。但不足的是，噪声承受能力小即抗干扰能力弱，只能承受较小的栅极干扰，并可能导致栅极_发射极电容和栅极驱动导线的寄生电感产生振荡，容易产生寄生振荡杂波，使开通时的电流变化率di/dt变大，增大续流二极管恢复时间的浪涌电压。

（2）栅极电阻的阻值增大时，与描述（1）中的性能相反。具体地，增大栅极电阻的阻值，能够减小对应的IGBT开通时对应的续流二极管的反向恢复过电压，减小了通态下出现短路的冲击电流值。但不足的是，当栅极电阻增大时，栅极电压的前沿和后沿变缓，延长了IGBT的开通和关断的开关时间，增大了IGBT的开通和关断的开关损耗。

实用新型内容

本实用新型的目的旨在至少在一定程度上解决上述的技术问题。

为此，本实用新型的一个目的在于提出一种智能功率模块IPM电路。该IPM电路能减小栅极电阻的阻值，且能有效吸收IGBT栅极产生的寄生振荡杂波，提高IGBT的噪声承受能力即抗干扰能力，使栅极电压更加平稳，减小了续流二极管恢复时间的浪涌电压，更好地满足用户的需求。

本实用新型的另一个目的在于提出一种智能功率模块IPM电路。

为达到上述目的，本实用新型第一方面提出了一种智能功率模块IPM电路，包括：第一至第N IGBT，其中，N为正整数；第一至第N RC电路，所述第一至第N RC电路中的每个RC电路均包括栅极电阻和栅极电容，所述每个RC电路中的栅极电容并联在对应的IGBT的栅极和发射极之间，所述每个RC电路中的栅极电阻的一端与对应的IGBT的栅极相连；以及驱动电路，所述驱动电路具有N个输出端，所述N个输出端分别与所述每个RC电路中的栅极电阻的另一端相连，所述驱动电路用于输出驱动信号以驱动所述第一至第N IGBT开通或关断。

根据本实用新型的智能功率模块IPM电路，通过在每个IGBT的栅极和发射极之间并联栅极电容，从而实现减小栅极电阻的阻值，加快了栅极电压的充放电，缩短了IGBT的开关时间，减小了IGBT的开关损耗，增强了器件工作的耐固性，避免了由于电压变化率dv/dt而误开通。并且，栅极电容能有效吸收IGBT栅极寄生振荡杂波，提高IGBT的抗干扰能力，使栅极电压更加平稳，减小了续流二极管恢复时间的浪涌电压，更好地满足用户的需求。

为达到上述目的，本实用新型第二方面提出了一种智能功率模块IPM电路，包括：第一IGBT；第一RC电路，所述第一RC电路包括栅极电阻和栅极电容，所述RC电路中的栅极电容并联在第一IGBT的栅极和发射极之间，所述第一RC电路中的栅极电阻的一端与第一IGBT的栅极相连；以及驱动电路，所述驱动电路的输出端与所述第一RC电路中的栅极电阻的另一端相连，所述驱动电路用于输出驱动信号以驱动所述第一IGBT开通或断开。

根据本实用新型的智能功率模块IPM电路，通过在IGBT的栅极和发射极之间并联栅极电容，从而实现减小栅极电阻的阻值，加快了栅极电压的充放电，缩短了IGBT的开关时间，减小了IGBT的开关损耗，增强了器件工作的耐固性，避免了由于电压变化率dv/dt而误开通。并且，栅极电容能有效吸收IGBT栅极寄生振荡杂波，提高IGBT的抗干扰能力，使栅极电压更加平稳，减小了续流二极管恢复时间的浪涌电压，更好地满足用户的需求

本实用新型附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为现有技术的一类IPM电路的结构示意图；

图2为现有技术的另一类IPM电路的结构示意图；

图3为根据本实用新型一个实施例的智能功率模块IPM电路的结构示意图；以及

图4为根据本实用新型另一个实施例的智能功率模块IPM电路的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。

下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本实用新型的不同结构。为了简化本实用新型的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本实用新型。此外，本实用新型可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本实用新型提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用于性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，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的具体含义。

现有技术的IPM电路仅通过调节栅极电阻来匹配IGBT的开关时间参数，从而实现IGBT的开关损耗在一个比较合适的范围内。因此，IGBT的开关时间不可过大，从而实现减小IGBT的开关损耗，且不宜使IGBT得栅极电压有太大的寄生振荡杂波，所以栅极电阻的阻值一般只能折中取值。

因此，本实用新型实施例在现有技术的IPM电路的基础上进行了改进。下面参考附图描述根据本实用新型实施例的智能功率模块IPM电路。

参照图3所示，图3为根据本实用新型提出的智能功率模块IPM电路的结构示意图。该电路包括第一至第六IGBT（如图1所示的IGBTQ1、IGBTQ2、IGBTQ3、IGBTQ4、IGBTQ5和IGBTQ6）、第一至第六RC电路（如图1所示的RC电路101、RC电路102、RC电路103、RC电路104、RC电路105和RC电路106）和驱动电路U_G。虽然在该实施例中以六个为例，但是在本实用新型的其他实施例中，IGBT的个数可以为N，其中N为正整数。

其中，第一至第六RC电路中的每个RC电路均包括栅极电阻和栅极电容，每个RC电路中的栅极电容并联在对应的IGBT的栅极和发射极之间，每个RC电路中的栅极电阻的一端与对应的IGBT的栅极相连。驱动电路U_G的输出端分别与每个RC电路中的栅极电阻的另一端相连，驱动电路U_G用于输出驱动信号以驱动第一至第六IGBT即IGBTQ1、IGBTQ2、IGBTQ3、IGBTQ4、IGBTQ5和IGBTQ6开通或关断。

具体地，在本实用新型的一个实施例中，参照图3所示，第一IGBTQ1的集电极与第一电源端P相连，第一IGBTQ1的发射极与第四IGBTQ4的集电极相连。第二IGBTQ2的集电极与第一电源端P相连，第二IGBTQ2的发射极与第五IGBTQ5的集电极相连。第三IGBTQ3的集电极与第一电源端P相连，第三IGBTQ3的发射极与第六IGBTQ6的集电极相连。

在本实用新型的一个实施例中，参照图3所示，第一IGBTQ1的发射极与第四IGBTQ4的集电极之间的节点a作为IPM电路的第一输出端U，第二IGBTQ2的发射极与第五IGBTQ5的集电极之间的节点b作为IPM电路的第二输出端V，第三IGBTQ3的发射极与第六IGBTQ6的集电极之间的节点c作为IPM电路的第三输出端W。另外，第四IGBTQ4的发射极作为第四输出端NU，第五IGBTQ5的发射极作为第五输出端NV，第六IGBTQ6的发射极作为第六输出端NW。

进一步地，在本实用新型的一个实施例中，参照图3所示，驱动电路包括：第一驱动芯片U1、第二驱动芯片U2、第三驱动芯片U3和第四驱动芯片U4。

其中，第一驱动芯片U1的输出端OUT与第一RC电路101中的栅极电阻R1的另一端相连，第一RC电路101中的栅极电阻R1的一端与第一IGBTQ1的栅极和第一RC电路101中的栅极电容C1的一端分别相连，第一RC电路101中的栅极电容C1的另一端与第一IGBTQ1的发射极和第一驱动芯片U1的反馈端VS分别相连。其中，第一驱动芯片U1输出驱动信号以驱动第一IGBTQ1开通或断开。

进一步地，第二驱动芯片U2的输出端OUT与第二RC电路102中的栅极电阻R2的另一端相连，第二RC电路102中的栅极电阻R2的一端与第二IGBTQ2的栅极和第二RC电路102中的栅极电容C2的一端分别相连，第二RC电路102中的栅极电容C2的另一端与第二IGBTQ2的发射极和第二驱动芯片U2的反馈端VS分别相连。其中，第二驱动芯片U2输出驱动信号以驱动第二IGBTQ2开通或断开。

并且，第三驱动芯片U3的输出端OUT与第三RC电路103中的栅极电阻R3的另一端相连，第三RC电路103中的栅极电阻R3的一端与第三IGBTQ3的栅极和第三RC电路103中的栅极电容C3的一端分别相连，第三RC电路103中的栅极电容C3的另一端与第三IGBTQ3的发射极和第三驱动芯片U3的反馈端VS分别相连。其中，第三驱动芯片U3输出驱动信号以驱动第三IGBTQ3开通或断开。

另外，第四驱动芯片U4的第一输出端OUT（UL）与第四RC电路104中的栅极电阻R4的另一端相连，第四RC电路104中的栅极电阻R4的一端与第四IGBTQ4的栅极和第四RC电路104中的栅极电容C4的一端分别相连，第四RC电路104中的栅极电容C4的另一端与第四IGBTQ4的发射极相连。第四驱动芯片U4的第二输出端OUT(VL)与第五RC电路105中的栅极电阻R5的另一端相连，第五RC电路105中的栅极电阻R5的一端与第五IGBTQ5的栅极和第五RC电路105中的栅极电容C5的一端分别相连，第五RC电路105中的栅极电容C5的另一端与第五IGBTQ5的发射极相连。第四驱动芯片U4的第三输出端OUT(WL)与第六RC电路106中的栅极电阻R6的另一端相连，第六RC电路106中的栅极电阻R6的一端与第六IGBTQ6的栅极和第六RC电路106中的栅极电容R6的一端分别相连，第六RC电路106中的栅极电容C6的另一端与第六IGBTQ6的发射极相连。其中，第四驱动芯片U4输出驱动信号以驱动第四IGBTQ4、第五IGBTQ5和第六IGBTQ6开通或断开。

另外，在本实用新型的一个实施例中，参照图3所示，上述的IPM电路还包括第一至第六反相二极管（如图2所示的反相二极管D1、反相二极管D2、反相二极管D3、反相二极管D4、反相二极管D5和反相二极管D6）。

其中，第一至第六反相二极管分别与第一至第NIGBT反相并联。具体地，例如第一反相二极管D1所示，第一反相二极管D1的一端与第一IGBTQ1的集电极相连，第一反相二极管D1的另一端与第一IGBTQ1的集发射极相连。

在本实用新型的一个具体实施例中，参照图3所示，每个RC电路中的栅极电容的容值相等，且每个RC电路中的栅极电阻的阻值相等。即栅极电容C1至栅极电容C6的容值均相同，且栅极电阻R1至栅极电阻R6的阻值，因此，栅极电压V_GE的充放电时间常数T=RC不变。

在本实用新型的另一个实施例中，参照图4所示，N为1时，即IGBT的个数为一个时，该IPM电路包括第一IGBTQ1”、第一RC电路101”和驱动电路U_G”。

其中，第一RC电路101”包括栅极电阻R1”和栅极电容C1”，第一RC电路101”中的栅极电容C1”并联在第一IGBTQ1”的栅极和发射极之间，第一RC电路101”中的栅极电阻R1”的一端与第一IGBTQ1”的栅极相连；以及驱动电路U_G”的输出端OUT与第一RC电路101”中的栅极电阻R1”的另一端相连，驱动电路U_G”用于输出驱动信号以驱动第一IGBTQ1”开通或断开。

综上所述，在栅极电压V_GE的充放电时间常数不变的同等条件情况下，通过在IGBT的栅极和发射极之间并联栅极电容后，栅极电容的电容值增大，从而对应的栅极电阻的阻值可调小。即言，通过在IGBT的栅极和发射极之间并联栅极电容后，在调节电路参数的匹配上可相应地减小栅极电阻的阻值，在实际电路中根据不同品牌的IGBT、不同IGBT的功率大小和不同品牌的驱动电路，栅极电阻的阻值和栅极电容的容值根据需要选择合适的数值，以满足电路设计的要求。

具体地，在本实用新型的一个实施例中，当IPM工作时，驱动电路U_G输出驱动信号以驱动第一至第六IGBT开通或关断，即驱动电路U_G中的驱动芯片的驱动电流通过对应的栅极电阻对对应的栅极电容进行充电，从而控制第一至第六IGBT开通，或驱动电路U_G中的驱动芯片通过对应的栅极电阻对对应的栅极电容进行放电，从而控制第一至第六IGBT关断。其中，通过在每个IGBT的栅极和发射极之间并联栅极电容，加快了栅极电压的充放电。

具体而言，在此本实用新型实施例通过对栅极电容充电举例作具体说明。栅极电阻通过在IGBT的栅极和发射极之间并联栅极电容调小了阻值，从而使流入栅极电容的充电电流增大，加快了栅极电压V_GE的上升速度，即栅极电压V_GE波形前沿和后沿变陡，IGBT获得较快的导通速度，在正常情况下，IGBT导通得越快，IGBT的开关损耗越小。并且，由于在IGBT的栅极和发射极之间并联栅极电容，栅极电容能有效吸收过滤在IGBT开关过程中引起的寄生振荡杂波，提高IGBT栅极的抗干扰能力，有效降低了IGBT的开关损耗，使栅极电压V_GE波形平稳，减小续流二极管恢复的浪涌电压。并且，本实用新型实施例即可通过调整栅极电阻又可通过调整栅极电容，使其两种参数调整到合适的范围内，更好地满足用户的需求。

根据本实用新型提出的智能功率模块IPM电路，通过在每个IGBT的栅极和发射极之间并联栅极电容，从而减小了栅极电阻的阻值，加快了栅极电压的充放电，缩短了IGBT的开关时间，减小了IGBT的开关损耗，增强了器件工作的耐固性，避免了由于电压变化率dv/dt而误开通。并且，栅极电容能有效吸收IGBT栅极寄生振荡杂波，提高IGBT的抗干扰能力，使栅极电压更加平稳，减小了续流二极管恢复时间的浪涌电压。另外，该智能功率模块IPM电路提高了在设计及调试上的灵活性。

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实用新型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。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims

1.一种智能功率模块IPM电路，其特征在于，包括：

第一至第N IGBT，其中，N为正整数；

第一至第N RC电路，所述第一至第N RC电路中的每个RC电路均包括栅极电阻和栅极电容，所述每个RC电路中的栅极电容并联在对应的IGBT的栅极和发射极之间，所述每个RC电路中的栅极电阻的一端与对应的IGBT的栅极相连；以及

驱动电路，所述驱动电路具有N个输出端，所述N个输出端分别与所述每个RC电路中的栅极电阻的另一端相连，所述驱动电路用于输出驱动信号以驱动所述第一至第N IGBT开通或关断。

2.如权利要求1所述的智能功率模块IPM电路，其特征在于，所述N为六时，

第一IGBT的集电极与第一电源端相连，所述第一IGBT的发射极与第四IGBT的集电极相连，第二IGBT的集电极与所述第一电源端相连，所述第二IGBT的发射极与第五IGBT的集电极相连，第三IGBT的集电极与所述第一电源端相连，所述第三IGBT的发射极与第六IGBT的集电极相连。

3.如权利要求2所述的智能功率模块IPM电路，其特征在于，所述第一IGBT的发射极与所述第四IGBT的集电极之间的节点作为所述IPM电路的第一输出端，所述第二IGBT的发射极与所述第五IGBT的集电极之间的节点作为所述IPM电路的第二输出端，所述第三IGBT的发射极与所述第六IGBT的集电极之间的节点作为所述IPM电路的第三输出端。

4.如权利要求1所述的智能功率模块IPM电路，其特征在于，所述N为六时，所述驱动电路包括：

第一驱动芯片，所述第一驱动芯片的输出端与第一RC电路中的栅极电阻的另一端相连，所述第一RC电路中的栅极电阻的一端与第一IGBT的栅极和所述第一RC电路中的栅极电容的一端分别相连，所述第一RC电路中的栅极电容的另一端与所述第一IGBT的发射极和所述第一驱动芯片的反馈端分别相连；

第二驱动芯片，所述第二驱动芯片的输出端与第二RC电路中的栅极电阻的另一端相连，所述第二RC电路中的栅极电阻的一端与第二IGBT的栅极和所述第二RC电路中的栅极电容的一端分别相连，所述第二RC电路中的栅极电容的另一端与所述第二IGBT的发射极和所述第二驱动芯片的反馈端分别相连；

第三驱动芯片，所述第三驱动芯片的输出端与第三RC电路中的栅极电阻的另一端相连，所述第三RC电路中的栅极电阻的一端与第三IGBT的栅极和所述第三RC电路中的栅极电容的一端分别相连，所述第三RC电路中的栅极电容的另一端与所述第三IGBT的发射极和所述第三驱动芯片的反馈端分别相连；

第四驱动芯片，所述第四驱动芯片的第一输出端与第四RC电路中的栅极电阻的另一端相连，所述第四RC电路中的栅极电阻的一端与第四IGBT的栅极和所述第四RC电路中的栅极电容的一端分别相连，所述第四RC电路中的栅极电容的另一端与所述第四IGBT的发射极相连，所述第四驱动芯片的第二输出端与第五RC电路中的栅极电阻的另一端相连，所述第五RC电路中的栅极电阻的一端与第五IGBT的栅极和所述第五RC电路中的栅极电容的一端分别相连，所述第五RC电路中的栅极电容的另一端与所述第五IGBT的发射极相连，所述第四驱动芯片的第三输出端与第六RC电路中的栅极电阻的另一端相连，所述第六RC电路中的栅极电阻的一端与第六IGBT的栅极和所述第六RC电路中的栅极电容的一端分别相连，所述第六RC电路中的栅极电容的另一端与所述第六IGBT的发射极相连。

5.如权利要求1-4中任一项所述的智能功率模块IPM电路，其特征在于，所述每个RC电路中的栅极电容的容值相等，且所述每个RC电路中的栅极电阻的阻值相等。

6.如权利要求1-4中任一项所述的智能功率模块IPM电路，其特征在于，还包括：

第一至第N反相二极管，所述第一至第N反相二极管分别与所述第一至第NIGBT反相并联。

7.一种智能功率模块IPM电路，其特征在于，包括：

第一IGBT；

第一RC电路，所述第一RC电路包括栅极电阻和栅极电容，所述RC电路中的栅极电容并联在第一IGBT的栅极和发射极之间，所述第一RC电路中的栅极电阻的一端与第一IGBT的栅极相连；以及

驱动电路，所述驱动电路的输出端与所述第一RC电路中的栅极电阻的另一端相连，所述驱动电路用于输出驱动信号以驱动所述第一IGBT开通或断开。

8.如权利要求7所述的智能功率模块IPM电路，其特征在于，所述第一IGBT的集电极与第一电源端相连。

9.如权利要求8所述的智能功率模块IPM电路，其特征在于，所述第一IGBT的发射极作为所述IPM电路的第一输出端。

10.如权利要求7所述的智能功率模块IPM电路，其特征在于，所述驱动电路包括：

第一驱动芯片，所述第一驱动芯片的输出端与第一RC电路中的栅极电阻的另一端相连，所述第一RC电路中的栅极电阻的一端与第一IGBT的栅极和所述第一RC电路中的栅极电容的一端分别相连，所述第一RC电路中的栅极电容的另一端与所述第一IGBT的发射极和所述第一驱动芯片的反馈端分别相连。