CN214480328U - 智能功率模块及采用其的智能功率模块结构 - Google Patents

智能功率模块及采用其的智能功率模块结构 Download PDF

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Abstract

本实用新型涉及一种智能功率模块及采用其的智能功率模块结构，包括MCU、多个逆变电路以及分别驱动多个逆变电路的驱动电路，其中MCU输出端分别连接驱动电路的控制端，且MCU和驱动电路靠近设置。于现有技术中的MCU相对IPM模块独立外置的方案相比，能大大缩短MCU的控制信号线的长度，而且传输到驱动电路的路径大大缩短，从而使得控制信号受到周五强电或者电磁信号的影响大为降低，以此增强了IPM工作的抗干扰的EMS能力，从而提升了整个IPM模块工作的可靠性。

Description

智能功率模块及采用其的智能功率模块结构
技术领域
本实用新型涉及一种智能功率模块及采用其的智能功率模块结构，属于功率半导体器件技术领域。
背景技术
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。目前的IPM模块一般都是单个IPM模块驱动单个负载如电机工作，在需要驱动多个负载的应用场景，就需要控制器设置多个IPM模块，由于IPM模块的占用空间多，这导致多个IPM模块加起来占用空间增大很多，使得整个控制器的面积增大，在成本提升的同时也不利于一些的控制器小型化安装需求。
实用新型内容
本实用新型需要解决的技术问题是解决现有的IPM模块在需要驱动多个负载的场景下使得整个控制器面积增大导致成本上升和不利于小型化安装的问题。
具体地，本实用新型公开一种智能功率模块，包括MCU、多个逆变电路以及分别驱动多个逆变电路的驱动电路，其中MCU输出端分别连接驱动电路的控制端，且MCU和驱动电路靠近设置。
可选地，智能功率模块的电路分布包括逆变电路设置区、驱动电路设置区和MCU设置区，其中逆变电路设置区包括每个逆变电路对应的上桥臂开关管设置区和下桥臂开关管设置区。
可选地，逆变电路设置区、驱动电路设置区和MCU设置区依次上下分布，且MCU设置区位于靠近左右方向的中央。
可选地，智能功率模块还包括PFC电路，PFC电路与其中一个驱动电路电连接，PFC电路的PFC电路设置区靠近逆变电路设置区。
可选地，智能功率模块设置有多个与多个逆变电路对应的使能控制端，每一个使能控制端用于控制对应的逆变电路是否工作。
可选地，智能功率模块还包括整流电路，整流电路的整流电路设置区靠近逆变电路设置区的一侧。
可选地，驱动电路的驱动芯片为多通道驱动芯片，每个驱动芯片驱动一个逆变电路工作。
本实用新型还提出一种如上述的智能功率模块的智能功率模块结构，智能功率模块结构包括：
电路基板，电路基板包括散热基板和多个电子元件，其中散热基板包括依次连接的基板、绝缘层和线路层，多个电子元件安装于线路层以形成逆变电路、驱动电路和MCU的电路；
多个引脚，多个引脚设置在电路基板的至少一侧；
密封层，密封层至少包裹设置电路元件的电路基板的一面，引脚的一端从密封层露出。
可选地，智能功率模块结构还包括散热器，散热器安装于散热基板的散热面。
可选地，智能功率模块结构还包括多根键合线，键合线连接于多个电子元件、线路层、多个引脚之间。
本实用新型的智能功率模块，包括MCU、多个逆变电路以及分别驱动多个逆变电路的驱动电路，其中MCU输出端分别连接驱动电路的控制端，且MCU和驱动电路靠近设置。于现有技术中的MCU相对IPM模块独立外置的方案相比，能大大缩短MCU的控制信号线的长度，而且传输到驱动电路的路径大大缩短，从而使得控制信号受到周五强电或者电磁信号的影响大为降低，以此增强了IPM工作的抗干扰的EMS能力，从而提升了整个IPM模块工作的可靠性。
附图说明
图1为本实用新型实施例的IPM模块的电路原理图；
图2为本实用新型实施例的IPM模块的电路布线图；
图3为本实用新型另一实施例的IPM模块的电路布线图；
图4为本实用新型实施例的IPM模块的内部简化框图；
图5为本实用新型实施例的IPM模块的剖视图；
图6为本实用新型另一实施例的IPM模块的剖视图。
附图标记：
MCU001，第一驱动电路002，第二驱动电路003，第一逆变电路004，PFC电路005，第二逆变电路006，整流电路007，第三驱动电路009，第三逆变电路010，逆变电路设置区310，第一上桥臂开关管设置区311，第一下桥臂开关管设置区312，第二上桥臂开关管设置区313，第二下桥臂开关管设置区314，驱动电路设置区320，第一驱动电路设置区322，第二驱动电路设置区321，MCU设置区330，整流电路设置区340，键合线400、引脚401、续流二极管402、IGBT403、芯片404，基板405、密封层406、散热器407、线路层408，压缩机500，风机电机600。
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，本实用新型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实用新型。
本实用新型提出一种智能功率模块即IPM模块，如图1至图4所示，包括MCU001、多个逆变电路以及分别驱动多个逆变电路的驱动电路，其中MCU001输出端分别连接驱动电路的控制端，且MCU001和驱动电路靠近设置。图1示出了本实用新型实施例的IPM模块的电路原理图，在图1中，逆变电路和驱动电路为两个，分别是第一驱动电路002、第一逆变电路004、第二驱动电路003，第二逆变电路006。本实施例列出的逆变电路和驱动电路为两个，当然也可以是更多个如分别为3个或者3个以上。MCU001分别输出包含六路逆变电路的六个开关管的控制信号到各个驱动电路，驱动电路主要由驱动芯片组成，驱动芯片输入端接收MCU001的控制信号，驱动芯片输出端输出六路驱动信号到六个上下桥臂的开关管，以驱动其工作。图2示出了本实用新型实施例的IPM模块的电路布线图，从图2中可看出，MCU001和各个驱动电路靠近设置。
现有技术中的IPM模块内部只包含驱动电路和逆变器，在IPM模块应用的控制器时，其MCU001为独立的外置，这样MCU001到IPM模块之间控制IPM模块内部的驱动电路的控制信号走线相对本申请的要长很多，因为其走线布局在控制器的PCB板上，而不是本实用新型的IPM模块内部的布线层上。由于这些控制信号线为MCU001输出的PWM信号以控制开关管的工作状态如工作频率等等，其控制信号线在工作过程中容易受到周围强电信号或者电磁信号的干扰，严重时会导致其信号失真使得开关管的工作装紊乱最终使得IPM模块工作不正常，甚至出现模块短路引起电流剧增导致其损坏。而本实用新型的MCU001集成设置在IPM模块内部，且和驱动电路靠近设置，这样能大大缩短其控制信号线的长度，而且传输到驱动电路的路径大大缩短，从而使得控制信号受到周五强电或者电磁信号的影响大为降低，以此增强了IPM工作的抗干扰的EMS能力，从而提升了整个IPM模块工作的可靠性。而且由于将MCU001封装在IPM模块中，也省却了现有技术中需要的MCU001单独封装的成本，从而也降低了整个控制器的成本。
在本实用新型的一些实施例中，如图2所示，智能功率模块的电路分布包括逆变电路设置区310、驱动电路设置区320和MCU001设置区，其中逆变电路设置区310包括每个逆变电路对应的上桥臂开关管设置区和下桥臂开关管设置区。IPM模块的内部布线从上到下依次分为三个区域，分别是逆变电路设置区310、驱动电路设置区320和MCU001设置区。在该图中设置了两个逆变电路，分别是第一上桥臂开关管设置区311、第一下桥臂开关管设置区312、第二上桥臂开关管设置区313、第二下桥臂开关管设置区314，对应两个驱动电路分别是第一驱动电路设置区322、第二驱动电路设置区321。其中每个上桥臂开关管设置区安装了3个上桥臂开关管，每个下桥臂开关管设置区安装了三个下桥臂开关管，这里的开关管为IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)或者MOS管(metaloxide semiconductor，金属氧化物半导体)等。对应如图1中所示的其中一个逆变电路的IGBT100、IGBT101和IGBT102为上桥臂开关管，IGBT103、IGBT104和IGBT105为下桥臂开关管；另外一个逆变电路的IGBT106、IGBT107和IGBT109为上桥臂开关管，IGBT109、IGBT110和IGBT111为下桥臂开关管。这三个区域依次设置，从而方便其中的电子元件的布线连接。而且这种区域设置使得驱动芯片至逆变电路的驱动信号走线，MCU001至驱动电路之间的控制信号走线尽量的缩短，而且由于逆变电路的走线为强电(300-400V)，驱动电路至MCU001为弱电(例如5V)，通过驱动电路设置在这三个区域的中间，使得控制信号线远离强电走线，从而降低其受强电走线的干扰，进一步提升整个IPM模块工作的可靠和稳定性。进一步地，MCU001设置区位于左右方向的中央，如图2所示，MCU001设置区位于左右方向即横向的中央位置，也即位于驱动电路设置区320的横向中央线上，如此设置使得MCU001设置区和图2中的驱动电路设置区320之间的走线可以均匀对称分布，以此使得走线分布均匀，能进一步提升走线占用空间的密度，使得整个IPM模块的走线紧凑，进而可以有效的降低整个IPM模块走线占用的电路板的面积，有利于IPM模块的小型化。
在本实用新型的一些实施例中，如图1所示，IPM模块还包括PFC电路005，PFC电路005与其中一个驱动电路电连接。IPM模块的电路中还设置了PFC电路005，主要包括做为开关管的IGBT112，其栅极通过电阻312连接到第一驱动电路002的驱动芯片的一个PFC驱动信号输出端，驱动芯片对应的PFC控制端连接到MCU001。由于PFC电路005工作的为输出的为强电信号，而且其主要电子元件为做为开关管的IGBT214，因此，其对应的PFC电路设置区优选靠近逆变电路设置区310，这样方便驱动电路和PFC电路005之间的布线，有利于布线紧凑。
在本实用新型的一些实施例中，如图1和图3所示，智能功率模块还包括整流电路007，整流电路007的整流电路设置区340靠近逆变电路设置区310的一侧。在IPM模块中还设置了整流电路007，以对输入的交流电进行整流输出脉动的直流电。在图3中，整流电路007设置在IPM模块的电路板的一侧，如图3中具体设置在电路板的左上角，并靠近逆变电路设置区310设置。由于整流电路007输入输出为强电，因此其对应的整流电路设置区340优选为靠近逆变电路设置区310的一侧，如图3所示的坐侧，这样尽量减少对弱电信号去如MCU001设置区的干扰，以提升整个IPM模块的工作可靠性，图3相对图2所示的IPM的电路板增加了整流电路007，其他相同。
针对图1的IPM模块电路，其包含两个驱动电路和对应的两个逆变电路，即对应的第一驱动电路002、第一逆变电路004、第二驱动电路003、第二逆变电路006，其中第一逆变电路004可用于驱动如图2所示的压缩机500工作，第二逆变电路006可用于如图2所示的驱动风机电机600工作，具体地，IGBT100、IGBT101和IGBT102为第一逆变电路004的三个上桥臂开关管，IGBT103、IGBT104和IGBT105为第一逆变电路004的三个下桥臂开关管；IGBT106、IGBT107和IGBT108为第二逆变电路006的三个上桥臂开关管，IGBT109、IGBT110和IGBT111为第二逆变电路006的三个下桥臂开关管。二极管0061至二极管0064组成桥式整流的整流电路007，IGBT214构成PFC电路005的开关管，续流二极管214为PFC电路005的的续流二极管。MCU001分别输出至少六路开关管的控制信号到第一驱动电路002和第二驱动电路003，以分别对应控制第一逆变器驱动压缩机500工作，以及第二逆变器驱动风机电机600工作。MCU001还输出一路PFC控制信号到第一驱动电路002，以驱动PFC电路005工作。而MCU001输入的信号引脚相对很少，如图1中只有pin1至pin6的6路信号输入端，相对现有技术中的非集成MCU001的IPM模块器输入的控制信号减少很多，这样有利于IPM模块应用过程中减少信号走线，也进一步减少了受干扰影响工作稳定性的机会。从图1中可看出，第一驱动电路002的驱动芯片和第二驱动电路003的驱动芯片均为多通道的驱动芯片，即每一个驱动芯片均可驱动多个开关管工作。如第一驱动电路002的驱动芯片驱动7个开关管工作，第二驱动电路003的驱动芯片驱动6个开关管工作。相对仅能驱动一个开关管工作的单通道驱动芯片，能进一步有效的减少电路走线。
在本实用新型的一些实施例中，智能功率模块设置有多个与多个逆变电路对应的使能控制端，每一个使能控制端用于控制对应的逆变电路是否工作。如图4所示的IPM模块的内部简化框图，其内部包含三个逆变电路和对应的三个驱动电路，分别是第一逆变电路004、第二逆变电路006和第三逆变电路010，以及第一驱动电路002、第二驱动电路003和第三驱动电路009，其在MCU001的输入控制端分别有对应的使能控制端，分别是VFO1、VFO2和VFO3，以分别控制对应的三路驱动电路是否工作以此最终控制对应的三个逆变电路是否工作。在使能控制端输入高电平时，其使能有效，MCU001可正常控制逆变电路工作，在使能控制端输入低电平时，其使能无效，MCU001停止输出PWM信号至驱动芯片以此控制对应的逆变电路停止工作。通过IPM模块应用到控制器中时，通过外部控制芯片于IPM模块连接后，通过对应的使能控制端可灵活控制其中一路逆变电路或者多路逆变电路是否工作。以增加其应用的灵活性。
本实用新型还提出一种智能功率模块结构，包含上述实施例提到的智能功率模块，如图5和图6所示，智能功率模块结构包括电路基板、多个引脚401和密封层406。其中电路基板包括散热基板和多个电子元件，其中散热基板包括依次连接的基板405、绝缘层(图中未示出)和线路层408，多个电子元件安装于线路层408以形成逆变电路、驱动电路和MCU001的电路。其中散热基板根据基板405的板材结构可分为不同的种类，其中常用的有IMS基板、DBC基板和铜-半固化树脂基板。IMS基板一般为IMS基板即铝基板，其主体为铝合金材质；DBC基板主体为陶瓷材料，铜-半固化树脂基板主体为铜材料。密封层406有两种封装结构，一种是密封层406包覆散热基板的上下两面，并包覆设置在散热基板上的电子元件，同时还包覆引脚401设置于散热基板的一端，为密封层406的全包覆方式；在另一种封装方式中，密封层406包覆散热基板的上表面，即包覆散热基板、电子元件和设置于散热基板的一端的引脚401，散热基板的下表面即散热面露出于密封层406，以此形成密封层406的半包覆方式。图5和图6所示的为密封层406的全包覆方式。图6中还包括散热器407，散热器407安装在散热基板的没有安装电子元件的一面，即散热面，以更好的对电子元件的发热传导至散热基板后进行散热。
在本实用新型的一些实施例中，电子元件包括功率器件、芯片404和被动元件，其中被动元件包括电阻、电容等。功率器件主要包括开关管、续流二极管402、整流二极管等，开关管可以是IGBT403或者MOS管，芯片404可以为驱动芯片404和MCU001等。如图5所示，包括IGBT403、芯片404、续流二极管402这些电子元件可通过软钎焊焊接固定于线路层408。且在电子元件、线路层408和引脚401之间还连接键合线400，键合线400通常为金线、铜线、金铜混合线、38um或者38um以下细铝线。在电子元件如IGBT403、MOS管或驱动芯片404等表面设置了至少一个键合焊盘，键合线400以此通过焊接的方式连接到这些键合焊盘。具体的，键合线400可以连接电子元件和电子元件之间，可以连接电子元件和线路层408之间，可以连接电子元件和引脚401之间等，以此形成整个IPM模块的电路连接。
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。
在本实用新型的描述中，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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。
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。在本实用新型的描述中，“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。
在本实用新型中，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实用新型中的具体含义。
在本实用新型中，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实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型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)

1.一种智能功率模块，其特征在于，包括MCU、多个逆变电路以及分别驱动所述多个逆变电路的驱动电路，其中所述MCU输出端分别连接所述驱动电路的控制端，且所述MCU和所述驱动电路靠近设置。
2.根据权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述智能功率模块的电路分布包括逆变电路设置区、驱动电路设置区和MCU设置区，其中所述逆变电路设置区包括每个逆变电路对应的上桥臂开关管设置区和下桥臂开关管设置区。
3.根据权利要求2所述的智能功率模块，其特征在于，所述逆变电路设置区、驱动电路设置区和MCU设置区依次上下分布，且所述MCU设置区位于靠近左右方向的中央。
4.根据权利要求2所述的智能功率模块，其特征在于，还包括PFC电路，所述PFC电路与其中一个所述驱动电路电连接，所述PFC电路的PFC电路设置区靠近所述逆变电路设置区。
5.根据权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述智能功率模块设置有多个与所述多个逆变电路对应的使能控制端，每一个使能控制端用于控制所述对应的逆变电路是否工作。
6.根据权利要求2所述的智能功率模块，其特征在于，所述智能功率模块还包括整流电路，所述整流电路的整流电路设置区靠近所述逆变电路设置区的一侧。
7.根据权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述驱动电路的驱动芯片为多通道驱动芯片，每个驱动芯片驱动一个所述逆变电路工作。
8.一种采用权利要求1至7任意一项所述的智能功率模块的智能功率模块结构，其特征在于，所述智能功率模块结构包括：
电路基板，所述电路基板包括散热基板和多个电子元件，其中所述散热基板包括依次连接的基板、绝缘层和线路层，所述多个电子元件安装于所述线路层以形成所述逆变电路、驱动电路和MCU的电路；
多个引脚，所述多个引脚设置在所述电路基板的至少一侧；
密封层，所述密封层至少包裹设置所述电路元件的电路基板的一面，所述引脚的一端从所述密封层露出。
9.根据权利要求8所述的智能功率模块结构，其特征在于，还包括散热器，所述散热器安装于所述散热基板的散热面。
10.根据权利要求8所述的智能功率模块结构，其特征在于，还包括多根键合线，所述键合线连接于所述多个电子元件、所述线路层、所述多个引脚之间。
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