CN215378748U - 智能功率模块 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种智能功率模块。包括：三相半桥驱动电路，每相半桥驱动电路包括一相半桥电路和栅极驱动电路，半桥电路包括低侧晶体管和高侧晶体管，栅极驱动电路用于驱动低侧晶体管和高侧晶体管的导通与关断，三相半桥驱动电路中的栅极驱动电路完全相同。本申请中提供的智能功率模块中的栅极驱动电路的内部电路结构和管脚分布均相同，无需因设计不同版本的栅极驱动电路进而造成质量管控复杂、成本高、装片周期长且复杂的问题。更进一步地，栅极驱动电路内设选择功能，通过后期打线可以开启或者关断每块栅极驱动电路中的过流保护和故障报警功能、以及温度输出功能。

Description

智能功率模块

技术领域

本实用新型涉及集成电路技术领域，更具体地，涉及一种智能功率模块。

背景技术

IPM(Intelligent Power Module，智能功率模块)是一种新型的大功率电力电子器件，具有高电流密度、低饱和电压和耐高压等优点，目前广泛应用在空调、洗衣机、风扇等各种领域。IPM内部集成了晶体管、控制、检测和保护电路等，相对于传统的分立方案，具有高集成度、高可靠性等优点，减小了系统的体积，也增强了系统的可靠性。

用于电机驱动的智能功率模块中至少内置3相半桥驱动电路，每相半桥驱动电路中需要一颗HVIC(高压栅极驱动电路)以驱动一个半桥。同时智能功率模块还具备例如欠压保护、过流保护、故障报警、温度输出等功能。现有技术中，考虑到整机应用和布线问题，通常会只在一相(W相)半桥驱动电路中设计过流保护、故障输出功能以及温度输出功能，其余两相中不具备上述功能。

然而，现有技术会使得智能功率模块中的各相半桥驱动电路的功能不同，至少会存在两种高压栅极驱动电路设计，增加质量管控的风险，同时也使得IPM装片时需要多次安装半桥驱动电路，装片时间较长。

实用新型内容

鉴于上述问题，本实用新型的目的在于提供一种智能功率模块，其中包含的栅极驱动电路的内部电路结构和管脚分布均相同。

根据本实用新型提供的一种智能功率模块，包括三相半桥驱动电路，每相半桥驱动电路包括一相半桥电路和栅极驱动电路，所述半桥电路包括低侧晶体管和高侧晶体管，所述栅极驱动电路用于驱动所述低侧晶体管和高侧晶体管的导通与关断，

其中，所述三相半桥驱动电路中的栅极驱动电路完全相同。

可选地，所述三相半桥驱动电路中的栅极驱动电路的内部电路结构和管脚分布完全相同。

可选地，所述智能功率模块中的任意一相半桥驱动电路中的栅极驱动电路可以输出表征本相半桥驱动电路中栅极驱动电路的温度检测信号。

可选地，任意一相半桥驱动电路的所述栅极驱动电路的温度信号输出端连接本相半桥驱动电路中栅极驱动电路的故障报警信号输出端，开启所述栅极驱动电路的温度检测及输出功能；其它两相的所述栅极驱动电路的温度信号输出端悬空，关闭所述栅极驱动电路的温度检测及输出功能。

可选地，所述栅极驱动电路包括温度检测单元，所述温度检测单元连接所述栅极驱动电路的所述温度信号输出端，用于温度检测。

可选地，所述智能功率模块中的任意一相半桥驱动电路中的栅极驱动电路的过流检测功能开启，其它两相半桥驱动电路中的栅极驱动电路的过流检测功能关闭。

可选地，所述栅极驱动电路包括：

使能端；

过流检测单元，连接使能端和过流检测输入端，对过流检测输入信号进行检测输出过流指示信号；

使能单元，基于所述过流指示信号生成使能信号；以及

驱动单元，连接所述使能单元，接收所述使能信号，所述使能信号控制驱动单元是否生成栅极驱动信号，

其中，根据所述使能端的控制信号的电平状态开启或者关闭过流检测功能。

可选地，所述使能端的控制信号的电平状态受控于所述使能端的封装打线方式。

可选地，任意一相半桥驱动电路的所述栅极驱动电路的使能端连接所述栅极驱动电路的信号地端，所述过流检测输入端接收所述过流检测输入信号，开启本相栅极驱动电路的过流检测功能。

可选地，其它两相半桥驱动电路的所述栅极驱动电路的使能端悬空，所述过流检测输入端不接收所述过流检测输入信号，关闭本相栅极驱动电路的过流检测功能。

可选地，还包括：

欠压检测单元，连接栅极驱动电路的电源端，对所述电源端的电源电压进行检测，输出欠压指示信号；

故障管理单元，分别连接所述过流检测单元、所述欠压检测单元以及所述使能单元，接收所述过流指示信号和所述欠压指示信号，根据所述欠压指示信号和过流检测信号产生故障报警信号并提供至所述使能单元，所述使能单元根据所述故障报警信号产生所述使能信号。

可选地，所述过流检测单元包括：

使能模块，基于所述使能端的控制信号控制过流检测输入端是否提供过流检测输入信号；以及

检测模块，连接所述使能模块，将所述过流检测输入信号与第一参考电压比较并输出过流指示信号。

可选地，所述使能模块包括：

第一电阻，其一端连接所述电源端，另一端连接所述使能端；以及

第一开关，其控制端连接所述使能端，第一端接地，第二端连接所述过流检测输入端。

可选地，所述检测模块包括：

第一比较器，其第一输入端与所述第一开关的第二端连接，第二输入端接收第一参考电压；

第一滤波器，其一端连接所述第一比较器的输出端，另一端输出所述过流指示信号。

可选地，所述故障单元包括：

逻辑模块，基于过流指示信号、欠压指示信号以及所述使能端的控制信号产生逻辑控制信号；以及

处理模块，连接所述逻辑模块，将所述逻辑控制信号延时以生成所述故障报警信号。

可选地，所述逻辑模块包括：

第一与非门，其第一输入端连接所述过流检测单元以接收所述过流指示信号，其第二输入端连接所述欠压检测单元以接收所述欠压指示信号；

第二非门，其输入端连接所述使能端；

第二与非门，其第一输入端连接所述第一与非门的输出端，其第二输入端连接所述第二非门的输出端；

第三非门，其输入端连接所述第二与非门的输出端，输出端输出所述逻辑控制信号。

可选地，所述处理模块包括：

延时电路，其输入端连接所述第三非门的输出端以接收所述运算结果，其输出端输出所述故障报警信号。

可选地，所述使能单元包括：

第二开关，其控制端连接所述故障管理单元以接收故障报警信号，其第一端接地，其第二端连接所述栅极驱动电路的故障报警信号输出端；

第二比较器，其第一输入端分别连接所述第二开关的第二端和所述栅极驱动电路的关断控制信号输入端，其第二输入端接收第二参考电压；

第三与非门，其第一输入端和第二输入端连接并与所述第二比较器的输出端连接，其输出端输出所述使能信号。

可选地，栅极驱动电路的故障报警信号输出端和所述关断控制信号输入端共用一个管脚。

可选地，所述驱动单元包括：

低侧驱动单元，提供栅极驱动信号以驱动相应的低侧晶体管；

高侧驱动单元，提供栅极驱动信号以驱动相应的高侧晶体管。

可选地，所述智能功率模块包括U相半桥驱动电路、V相半桥驱动电路以及W相半桥驱动电路，所述W相半桥驱动电路的栅极驱动电路的温度信号输出端和故障报警信号输出端连接，所述W相半桥驱动电路的栅极驱动电路的使能端和信号地端连接，开启所述W相半桥驱动电路的栅极驱动电路温度检测和输出功能以及过流检测功能。

根据本实用新型实施例提供的智能功率模块，其内部的每块栅极驱动电路的管脚分布和内部电路结构均相同，进而避免因栅极驱动电路设计不同造成的管控复杂、成本高、装片周期长且复杂的问题。

更进一步地，栅极驱动电路内设选择功能，通过后期打线可以开启或者关断每块栅极驱动电路中的过流保护和故障报警功能，避免了智能功率模块内安装不同的栅极驱动电路，节省了智能功率模块的装片时间，降低了智能功率模块的质量风险。

更进一步地，通过封装打线可设置开启或者关闭栅极驱动电路的温度输出功能，并且因选择开启或者关闭的方式简单，进而使得智能功率模块的温度检测相位可设置，从而使得输出的温度更贴合智能功率模块的中的最高温度。

附图说明

通过以下参照附图对本实用新型实施例的描述，本实用新型的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。

图1示出根据本实用新型实施例提供的智能功率模块的结构框图。

图2示出根据本实用新型实施例提供的智能功率模块中栅极驱动电路的结构框图。

图3示出根据本实用新型实施例提供的智能功率模块中栅极驱动电路中检测单元以及使能单元的电路示意图。

图4示出根据本实用新型实施例提供的智能功率模块中温度输出部分的电路示意图。

图5示出根据本实用新型实施例提供的智能功率模块的内部打线图。

图6示出根据本实用新型实施例提供的智能功率模块中栅极驱动电路的芯片管脚分布图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本实用新型。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，可能未示出某些公知的部分。

在下文中描述了本实用新型的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本实用新型。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本实用新型。

本实用新型可以以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。

图1示出根据本实用新型实施例的智能功率模块的结构示意框图，图2示出根据本实用新型实施例的智能功率模块中栅极驱动电路的示意性电路图。

如图1所示，该智能功率模块100例如用于驱动电机。智能功率模块100包括三相栅极驱动电路、三相半桥电路以及第一至第三二极管D1、D2、D3，所述三相栅极驱动电路分别驱动三相半桥电路，三相栅极驱动电路包括U相栅极驱动电路A1、V相栅极驱动电路A2以及W相栅极驱动电路A3，三相半桥电路包括U相半桥电路、V相半桥电路以及W相半桥电路，每相半桥电路包括高侧晶体管和低侧晶体管，具体的，U相半桥电路包括第一高侧晶体管Q11和第一低侧晶体管Q12以及并联于第一高侧晶体管Q11的第一端和第二端之间的二极管、以及并联于第一低侧晶体管Q12的第一端和第二端之间的二极管，V相半桥电路包括第二高侧晶体管Q21和第二低侧晶体管Q22以及并联于第二高侧晶体管Q21的第一端和第二端之间的二极管、以及并联于第二低侧晶体管Q22的第一端和第二端之间的二极管，W相半桥电路包括第三高侧晶体管Q31和第三低侧晶体管Q32以及并联于第三高侧晶体管Q31的第一端和第二端之间的二极管、以及并联于第三低侧晶体管Q32的第一端和第二端之间的二极管。其中，智能功率模块100中的U相栅极驱动电路A1、V相栅极驱动电路A2、W相栅极驱动电路A3的内部电路结构和管脚分布均相同，分别驱动U相半桥电路、V相半桥电路、W相半桥电路。上述提供的每相栅极驱动电路例如可以集成在一个芯片中。

如图2所示，示出了图1所示的智能功率模块中栅极驱动电路的结构框图，智能功率模块100中的U相栅极驱动电路A1、V相栅极驱动电路A2以及W相栅极驱动电路A3均采用图2所示的栅极驱动电路200，栅极驱动电路200包括多个管脚，管脚名称及其描述如下表所示。

表1.智能功率模块中栅极驱动电路的管脚名称及其描述

栅极驱动电路200包括驱动单元、温度检测单元230、检测单元240以及使能单元250。驱动单元包括高侧驱动单元210、低侧驱动单元220。高侧驱动单元210用于向高侧晶体管提供栅极驱动信号，高侧信号输入端HIN、高侧驱动悬浮供电端VB、高侧驱动悬浮供电地端VS、以及高侧驱动信号输出端HO与高侧驱动单元210连接。低侧驱动单元220用于向低侧晶体管提供栅极驱动信号，低侧信号输入端LIN、电源端VCC、功率地端PGND、以及低侧驱动信号输出端LO与低侧驱动单元220连接。温度检测单元230用于检测栅极驱动电路200的温度，并通过温度信号输出端ITS输出指示温度的电流。信号地端COM接地。

检测单元240包括过流检测单元241、欠压检测单元244以及故障管理单元243。过流检测单元241用于对过流检测输入信号进行检测并输出表征电流是否过流的过流指示信号，进一步地，检测单元240可以根据使能端ENVU的打线方式选择性开启或者关闭过流检测功能。

过流检测单元241分别与使能端ENVU、过流检测输入端CSC以及故障管理单元243连接，用于对过流检测输入端CSC输入的过流检测信号进行检测并输出表征电流是否过流的过流指示信号，进一步地，过流检测单元241可以根据使能端ENVU的封装打线方式选择性地开启或者关闭过流检测功能。当使能端ENVU通过封装打线与信号地端COM连接时，开启过流检测，过流检测输入端CSC接收过流检测信号，根据过流检测信号产生过流指示信号，并向故障管理单元243提供过流指示信号；当使能端ENVU悬空时，关闭过流检测。

欠压检测单元244连接电源端VCC和故障管理单元243，用于对电源端VCC的电源电压进行检测产生欠压指示信号，并向故障管理单元243提供欠压指示信号。

故障管理单元243分别与使能端ENVU、过流检测单元241以及欠压检测单元244连接，用于对芯片故障进行管理，根据欠压指示信号和过流指示信号得到故障报警信号。同时根据使能端ENVU的封装打线方式，控制在芯片检测到过流和/或欠压时，是否控制使能单元250使能关断以及进行故障报警输出。

使能单元250的第一输入端连接关断控制信号输入端SD，基于关断控制信号产生使能信号EN，使能信号EN控制高侧驱动单元210和低侧驱动单元220是否向外部连接的高侧晶体管和低侧晶体管提供栅极驱动信号；使能单元250的第一输入端同时连接故障报警信号输出端FO，使能单元250的第二输入端连接故障管理单元243的输出端，接收电压检测信号，基于电压检测信号产生使能信号EN以及根据电压检测信号选择是否进行故障报警输出，使能信号EN控制高侧驱动单元210和低侧驱动单元220是否向外部连接的高侧晶体管和低侧晶体管提供栅极驱动信号。其中，故障报警信号输出端FO和关断控制信号输入端SD共用一个芯片的管脚。

若故障报警信号输出端FO连接有上拉电阻(图2中未示出)，该上拉电阻例如设置在智能功率模块外部。在栅极驱动电路200未检测到过流、欠压等故障时，故障报警信号输出端FO的电平被上拉为高电平，栅极驱动电路200正常工作；在栅极驱动电路200检测到过流、欠压等故障时，使能单元250中下拉开关导通进而将故障报警信号输出端FO的电平下拉为低电平，进行故障报警输出。

温度检测单元230用于检测栅极驱动电路200的温度，包括第三开关K3和温度检测模块231，以经由第三开关K3连接温度信号输出端ITS以输出指示芯片温度的沉电流，当温度信号输出端ITS与栅极驱动电路200的故障报警信号输出端FO连接时，开启温度输出功能，可通过检测故障报警信号输出端FO的电压间接得到栅极驱动电路200的温度。功率地端PGND接地。

如图1所示，示出了智能功率模块100的结构框图，智能功率模块100包括多个管脚，管脚名称和描述如下表所示。

表2.智能功率模块的管脚名称及其描述

其中，在智能功率模块100的U相栅极驱动电路和U相半桥电路中，第一高侧晶体管Q11的第一端与第二高侧晶体管Q21的第一端以及第三高侧晶体管Q31的第一端连接作为智能功率模块100的直流供电正端P(1)。第一高侧晶体管Q11的控制端与U相栅极驱动电路A1的高侧驱动信号输出端HO连接。第一高侧晶体管Q11的第二端和第一低侧晶体管Q12的第一端之间的中间节点与U相栅极驱动电路A1的高侧驱动悬浮供电地端VS连接并作为智能功率模块100的U相输出端U/U相高侧驱动悬浮供电地端VSU(2)。第一低侧晶体管Q12的控制端与U相栅极驱动电路A1的低侧驱动信号输出端LO连接。第一低侧晶体管Q12的第二端与U相栅极驱动电路A1的功率地端PGND连接并作为智能功率模块100的U相直流供电负端NU(3)。第一二极管D1的阳极与U相栅极驱动电路A1的电源端VCC连接作为智能功率模块100的U相电源端VCCU(21)，第一二极管D1的阴极与U相栅极驱动电路A1的高侧驱动悬浮供电端VB连接作为智能功率模块100的U相高侧驱动悬浮供电端VBU(25)。U相栅极驱动电路A1的关断控制信号输入端SD作为智能功率模块100的U相关断控制信号输入端SDU(20)，U相栅极驱动电路A1的高侧信号输入端HIN作为智能功率模块100的U相高侧信号输入端HINU(23)，U相栅极驱动电路A1的低侧信号输入端LIN作为智能功率模块100的U相低侧信号输入端LINU(22)，U相栅极驱动电路A1的信号地端COM作为智能功率模块100的公共地端COM(24)，U相栅极驱动电路A1的使能端ENVU悬置进而关闭U相驱动中的过流检测功能和故障输出功能。U相栅极驱动电路A1包括具有温度检测功能的温度检测单元，但由于温度信号输出端ITS悬空，因此U相栅极驱动电路A1中关闭了温度检测功能。U相栅极驱动电路A1的过流检测输入端CSC悬空，也即U相驱动芯片A1不接收过流检测信号。

其中，智能功率模块100的V相栅极驱动电路和V相半桥电路中，第二高侧晶体管Q21的控制端与V相栅极驱动电路A2的高侧驱动信号输出端HO连接。第二高侧晶体管Q21的第二端和第二低侧晶体管Q22的第一端之间的中间节点与V相栅极驱动电路片A2的高侧驱动悬浮供电地端VS连接并作为智能功率模块100的V相输出端V/V相高侧驱动悬浮供电地端VSV(4)。第二低侧晶体管Q22的控制端与V相栅极驱动电路A2的低侧驱动信号输出端LO连接。第二低侧晶体管Q22的第二端与V相栅极驱动电路A2的功率地端PGND连接并作为智能功率模块100的V相直流供电负端NV(5)。第二二极管D2的阳极与V相栅极驱动电路A2的电源端VCC连接作为智能功率模块100的V相电源端VCCV(16)，第二二极管D1的阴极与V相栅极驱动电路A2的高侧驱动悬浮供电端VB连接作为智能功率模块100的V相高侧驱动悬浮供电端VBV(19)。V相栅极驱动电路A2的关断控制信号输入端SD作为智能功率模块100的V相关断控制信号输入端SDV(15)，V相栅极驱动电路片A2的高侧信号输入端HIN作为智能功率模块100的V相高侧信号输入端HINV(18)，V相栅极驱动电路A2的低侧信号输入端LIN作为智能功率模块100的V相低侧信号输入端LINV(17)，V相栅极驱动电路A2的使能端ENVU悬置进而关闭V相驱动中的过流检测功能和故障输出功能。V相栅极驱动电路A2包括具有温度检测功能的温度检测单元，但由于温度信号输出端ITS悬空，因此V相栅极驱动电路A2中关闭了温度检测功能。V相栅极驱动电路A2的过流检测输入端CSC悬空，也即V相栅极驱动电路A2不接收过流检测信号。

其中，智能功率模块100的W相栅极驱动电路和W相半桥电路中，第三高侧晶体管Q31的控制端与W相栅极驱动电路A3的高侧驱动信号输出端HO连接。第三高侧晶体管Q31的第二端和第三低侧晶体管Q32的第一端之间的中间节点与W相栅极驱动电路A3的高侧驱动悬浮供电地端VS连接并作为智能功率模块100的W相输出端W/W相高侧驱动悬浮供电地端VSW(6)。第三低侧晶体管Q32的控制端与W相栅极驱动电路A3的低侧驱动信号输出端LO连接。第三低侧晶体管Q32的第二端与W相栅极驱动电路A3的功率地端PGND连接并作为智能功率模块100的W相直流供电负端NW(7)。第三二极管D3的阳极与W相栅极驱动电路A3的电源端VCC连接作为智能功率模块100的W相电源端VCCW(11)，第三二极管D3的阴极与W相栅极驱动电路A3的高侧驱动悬浮供电端VB连接作为智能功率模块100的W相高侧驱动悬浮供电端VBW(14)。W相栅极驱动电路A3的过流检测输入端CSC作为智能功率模块100的过流检测输入端CSC(10)，W相栅极驱动电路A3的故障报警信号输出端FO/关断控制信号输入端SD与W相栅极驱动电路A3的温度信号输出端ITS连接，开启温度检测功能，并作为智能功率模块100的故障报警信号输出端FO/W相关断控制信号输入端SDW/温度信号输出端ITS(9)，进而通过读取W相栅极驱动电路A3的故障报警信号输出端FO的电压值可以间接读取W相栅极驱动电路A3的温度，该温度将视为智能功率模块100的温度。W相栅极驱动电路片A3的高侧信号输入端HIN作为智能功率模块100的W相高侧信号输入端HINW(13)，W相栅极驱动电路A3的低侧信号输入端LIN作为智能功率模块100的W相低侧信号输入端LINW(12)，W相栅极驱动电路A3的信号地端COM作为智能功率模块100的公共地端COM(8)，W相栅极驱动电路A3的使能端ENVU与W相栅极驱动电路A3的信号地端COM连接进而开启U相驱动中的过流检测功能和故障输出功能。

其中，U相栅极驱动电路A1的电源端VCC与V相栅极驱动电路A2的电源端VCC以及W相栅极驱动电路A3的电源端VCC之间例如在智能功率模块100的内部连接。U相栅极驱动电路A1的信号地端COM与V相栅极驱动电路A2的信号地端COM以及W相栅极驱动电路A3的信号地端COM之间例如在智能功率模块100的内部连接作为智能功率模块100的公共地端COM(8、24)。U相栅极驱动电路A1的故障报警信号输出端FO/关断控制信号输入端SD与V相栅极驱动电路A2的故障报警信号输出端FO/关断控制信号输入端SD以及W相栅极驱动电路A3的故障报警信号输出端FO/关断控制信号输入端SD例如在智能功率模块100的内部连接。

本申请中的智能功率模块100将W相栅极驱动电路的使能端ENVU端口通过打线与W相栅极驱动电路A3的信号地端COM连接以下拉至地，另外U相栅极驱动电路和V相栅极驱动电路的使能ENVU端悬空(芯片内部已经上拉)，进而采用W相栅极驱动电路来实现智能功率模块的过流检测功能和故障保护的功能。

在本实施例中，通过打线将W相栅极驱动电路A3中的温度信号输出端ITS连接至W相栅极驱动电路A3中的故障报警信号输出端FO，进而通过与故障报警信号输出端FO连接的上拉电阻开启温度检测功能。在其他可替换的实施例中，还可以通过在栅极驱动电路的温度信号输出端ITS连接上拉电阻进而开启温度检测功能。需要说明的是，现有技术中的智能功率模块只能输出W相驱动的栅极驱动电路的温度，而W相的栅极驱动电路的温度不一定是智能功率模块中最高的，导致智能功率模块输出的温度并未反映出智能功率模块中的最高温度，造成智能功率模块的温度输出有误差或延迟。本实施例中通过封装打线将W相栅极驱动电路A3中的温度信号输出端ITS连接至W相栅极驱动电路A3中的故障报警信号输出端FO，开启W相栅极驱动电路A3的温度检测功能进而以W相栅极驱动电路A3的温度作为智能功率模块的温度输出，只是为了描述其工作原理，在实际操作中，通过控制其它相栅极驱动电路的温度信号输出端ITS和故障报警信号输出端FO连接，选择开启其它相的栅极驱动电路的温度检测功能，并将检测出的温度作为智能功率模块的温度输出，例如V相或U相。

图3示出根据本实用新型实施例提供的智能功率模块中栅极驱动电路中检测单元以及使能单元的电路示意图。以下将结合图3具体说明栅极驱动电路200中过检测单元240以及使能单元250的内部结构。

如图3所示，检测单元240中的过流检测单元241包括使能模块2411和检测模块2412，使能模块2411基于使能端ENVU的封装打线方式控制过流检测输入端CSC是否提供过流检测输入信号，检测模块2412与使能模块2411连接，将由过流检测输入端CSC提供的过流检测输入信号与第一参考电压Vref1比较并输出过流指示信号。使能模块2411包括第一电阻R1和第一开关K1，第一电阻R1的一端连接电压端VCC，第一电阻R1的另一端分别连接使能端ENVU和第一开关K1的控制端。第一开关K1的第一端接地，第一开关K1的第二端连接过流检测信号输入端CSC。基于使能端ENVU的封装打线方式导通或者断开第一开关K1，进而当第一开关K1导通时，过流检测输入端CSC被拉低至地，不提供过流检测输入信号，当第一开关K1断开时，过流检测输入端CSC向检测模块2412提供过流检测输入信号。检测模块2412包括第一比较器U1和第一滤波器U3。第一比较器U1的第一输入端分别与过流检测信号输入端CSC和第一开关K1的第二端连接，第一比较器U1的第二输入端接收第一参考电压Vref1，第一比较器U1的输出端连接第一滤波器U3的输入端，第一滤波器U3的输出端提供过流指示信号。其中，第一滤波器U3例如为第一非门。故障管理单元243包括逻辑模块2431和处理模块2432。逻辑模块2431基于过流指示信号、欠压指示信号以及使能端ENVU的控制信号(所述使能端ENVU的控制信号的电平状态受控于所述使能端的封装打线方式。)进行逻辑运算输出逻辑控制信号。处理模块2432将逻辑模块2431产生的逻辑控制信号进行延时处理后生成故障报警信号。逻辑模块2431包括第一与非门U4、第二与非门U5、第二非门U6、第三非门U7。第一与非门U4的第一输入端与第一滤波器U3的输出端连接以接收过流指示信号，第一与非门U4的第二输入端连接欠压检测单元244以接收欠压指示信号，欠压检测单元244与电源端VCC连接，对电源端VCC的电源电压进行检测，输出欠压检测结果。欠压检测单元244包括欠压闭锁电路，电源端VCC的电压低于预设电平时系统以受控方式关闭，从而不会产生不稳定的振荡或不会使栅极驱动电路工作在欠压情况下。第一与非门U4的输出端与第二与非门U5的第一输入端连接，第二与非门U5的第二输入端与第三非门U7的输出端连接，第三非门U7的输入端与使能端ENVU连接，第二与非门U5的输出端与第二非门U6的输入端连接，第二非门U6的输出端输出逻辑控制信号。处理模块2432包括延时电路U8，第二非门U6的输出端连接延时电路U8的输入端，延时电路U8的输出端作为故障管理单元243的输出端(也作为检测单元240的输出端)输出故障报警信号。

使能单元250包括第二开关K2、第二比较器U2和第三与非门U9。第二开关K2的控制端连接故障管理单元243的输出端接收电压检测信号，第二开关K2的第一端接地，第二开关K2的第二端与故障报警信号输出端FO连接用于输出故障报警信号，在实际应用中，故障报警信号输出端FO在智能功率模块的外部连接有上拉电阻R10，上拉电阻R10一端接收第一电压V1。第二比较器U2的第一输入端分别与关断控制信号输入端SD和第二开关K2的第二端连接，第二比较器U2的第二输入端接收第二参考电压Vref2，第二比较器U2的输出端连接第三与非门U9的第一输入端，第三与非门U9的第二输入端连接第三与非门U9的第一输入端，第三与非门U9的输出端分别与高侧驱动单元210和低侧驱动单元220连接以提供使能信号EN。使能信号EN无效时，高侧驱动单元210和低侧驱动单元220停止产生栅极驱动信号，使能信号EN有效时，高侧驱动单元210和低侧驱动单元220产生栅极驱动信号以分别驱动高侧晶体管和低侧晶体管。使能信号EN既可以是基于故障管理单元243提供的电压检测信号生成，也可以是基于关断控制信号输入端SD从外部接收的关断控制信号生成。

当使能端ENVU悬空、无外部连接时，过流检测单元241的第一开关K1的控制端通过第一电阻R1上拉为高电平，第一开关K1导通进而过流检测输入端CSC被下拉到地，过流检测输入端CSC的电压一直为低电平，导致过流检测单元241无法开启过流检测功能。并且故障管理单元243的第三非门U7输出低电平，进而第二与非门U5的逻辑输出不受欠压检测单元244输出的欠压指示信号影响，第二与非门U5维持输出高电平，进而第二非门U6输出低电平，进而故障管理单元243输出的故障报警信号为低电平，使能单元250中的第二开关K2断开，也即当使能端ENVU悬空，故障管理单元243输出的故障报警信号的电平状态不受欠压检测信号的电平状态影响，同时关闭故障输出功能。在该状态下，使能单元250根据关断控制信号产生使能信号EN，当外部提供有效电平状态的关断控制信号，使能单元250产生的使能信号EN无效(例如为高电平)，禁止高侧驱动单元210和低侧驱动单元220输出栅极驱动信号，当外部提供无效电平状态的关断控制信号，使能单元250产生的使能信号EN有效(例如低高电平)，高侧驱动单元210和低侧驱动单元220正常输出栅极驱动信号。

当使能端ENVU通过外部打线下拉到地(信号地端COM)时，过流检测单元241的第一开关K1的控制端被下拉为低电平，第一开关K1断开进而过流检测输入端CSC正常接收过流检测输入信号，启用过流检测功能。第一比较器U1将过流检测信号与第一参考电压Vref1比较，并将比较结果经由第一滤波器U3提供至第一与非门U4中，第一与非门U4将过流指示信号和欠压指示信号进行逻辑运算，并将逻辑运算结果输出至第二与非门U5的第一输入端，第二与非门U5的第二输入端接收使能端ENVU提供的控制信号的反相信号，第二与非门U5的逻辑运算结果经过第二非门U6反相后输入至延时电路U8，延时电路U8输出故障报警信号。当过流检测信号大于第一参考电压Vref1或者电源端VCC的电源电压小于欠压阈值，且上述之一情况持续时间大于消隐时间，则检测单元240输出有效电平状态(例如为高电平)的故障报警信号，表征发生了故障(发生了欠压或者过流)，否则检测单元240输出无效电平状态的故障报警信号。使能单元250中的第二开关K2基于有效电平状态的故障报警信号的控制导通，并将故障报警信号输出端FO及关断控制信号输入端SD拉低，第三与非门U9的输出端输出的使能信号EN关闭高侧驱动单元210和低侧驱动单元220输出，栅极驱动电路200进入保护状态。或者使能单元250中的第二开关K2基于无效电平状态的故障报警信号控制断开，进而第三与非门U9的输出端输出的使能信号EN的电平状态与关断控制信号的电平状态相关。根据关断控制信号关闭或者开启高侧驱动单元210和低侧驱动单元220输出。

需要说明的是，第一开关K1和第二开关K2例如为NMOS晶体管。第一参考电压Vref为过流保护阈值，第二参考电压Vref2例如为1.5V-2.0V。

图4示出根据本实用新型实施例提供的智能功率模块中温度输出部分的电路示意图。

如图4所示，例如通过打线将栅极驱动电路中的温度信号输出端ITS与该栅极驱动电路中的故障报警信号输出端FO在芯片外部连接，进而通过与故障报警信号输出端FO连接的上拉电阻R10(设置在智能功率模块外部)开启温度输出功能。当该栅极驱动电路的温度上升时，其温度信号输出端ITS的沉电流增大，从而流过与故障报警信号输出端FO连接的上拉电阻R10的电流越大，该上拉电阻R10两端的压降也增大，进而故障报警信号输出端FO的电压值降低，通过读取该故障报警信号输出端FO的电压值，可以间接读取该相半桥驱动电路中栅极驱动电路的温度。

温度信号输出端ITS的沉电流I_TS与该栅极驱动芯片栅极驱动电路的温度T之间具有线性关系，I_TS＝k×T+I₀，(k>0)。当该沉电流I_TS流过与故障报警信号输出端FO连接的上拉电阻R10时，上拉电阻R10的两端的电压降增大，此时故障报警信号输出端FO处的电压VFO与该栅极驱动电路的温度T的关系为：V_FO＝V₁-R_FO×(k×T+I₀)，其中，V₁为上拉电阻R10一端接收的第一电压，第一电压V1可以为3.3V或5V，R_FO为上拉电阻R10的电阻值，例如可以为6.8KΩ或者4.7KΩ，k为沉电流I_TS与栅极驱动电路的温度T的线性关系的斜率，k>0，I₀为沉电流I_TS与栅极驱动电路的温度T的线性关系的截距。通过获取故障报警信号输出端FO的电压值VFO，从而可以间接读取该相半桥驱动电路中栅极驱动电路的温度T。

图5示出根据本实用新型实施例的智能功率模块的内部打线图，图6示出根据本实用新型实施例提供的智能功率模块中栅极驱动电路的芯片管脚分布图。

如图5所示，智能功率模块100内部按照图1中所示的结构框图中的连接关系打线。W相栅极驱动电路A3的部分管脚与智能功率模块100的部分管脚之间的打线、以及W相栅极驱动电路A3的部分管脚与W相半桥电路之间的打线按照上文中关于图1相关描述的连接关系执行，在此处不再赘述。V相栅极驱动电路A2的部分管脚与智能功率模块100的部分管脚之间的打线、V相栅极驱动电路A2的部分管脚与V相半桥电路之间的打线以及V相栅极驱动电路A2的部分管脚与周围W相栅极驱动电路A3的部分管脚和U相栅极驱动电路A的部分管脚1之间的打线按照上文中关于图1相关描述的连接关系执行，在此处不再赘述。U相栅极驱动电路A1与智能功率模块100的部分管脚之间的打线、以及U相栅极驱动电路A1的部分管脚与U相半桥电路之间的打线按照上文中关于图1相关描述的连接关系执行，在此处不再赘述。智能功率模块100中的U相栅极驱动电路A1、V相栅极驱动电路A2、W相栅极驱动电路A3的完全相同，内部结构以及管脚分布等完全一致，以下对栅极驱动电路的管脚分布做进一步说明。

图6示出根据本实用新型实施例提供的智能功率模块中栅极驱动电路的芯片管脚分布图。

如图6所示，栅极驱动电路200中至少包括故障报警信号输出端/关断控制信号输入端FO,SD、温度信号输出端ITS、信号地端COM、使能端ENVU、功率地端PGND、低侧驱动信号输出端LO、高侧驱动悬浮供电地端VS、高侧驱动信号输出端HO、高侧驱动悬浮供电端VB。

接着如图5所示，智能功率模块100包括引线框架以及设置在引线框架上的多个载片台。由U相栅极驱动电路A1、第一高侧晶体管Q11、第一低侧晶体管Q12、第一二极管D1以及并联于第一高侧晶体管Q11的第一端和第二端之间的二极管、以及并联于第一低侧晶体管Q12的第一端和第二端之间的二极管组成U相半桥驱动。U相半桥驱动中的U相栅极驱动电路A1、第一高侧晶体管Q11、第一低侧晶体管Q12、第一二极管D1、并联于第一高侧晶体管Q11的第一端和第二端之间的二极管、以及并联于第一低侧晶体管Q12的第一端和第二端之间的二极管皆设置在相应的载片台上。

由V相栅极驱动电路A2、第二高侧晶体管Q21、第二低侧晶体管Q22、第二二极管D2、以及并联于第二高侧晶体管Q21的第一端和第二端之间的二极管、以及并联于第二低侧晶体管Q22的第一端和第二端之间的二极管组成V相半桥驱动。V相栅极驱动电路A2、第二高侧晶体管Q21、第二低侧晶体管Q22、第二二极管D2、以及并联于第二高侧晶体管Q21的第一端和第二端之间的二极管、以及并联于第二低侧晶体管Q22的第一端和第二端之间的二极管皆设置在相应的载片台上。

由W相栅极驱动电路A3、第三高侧晶体管Q31、第三低侧晶体管Q32、第三二极管D3、并联于第三高侧晶体管Q31的第一端和第二端之间的二极管、以及并联于第三低侧晶体管Q32的第一端和第二端之间的二极管组成W相半桥驱动。W相栅极驱动电路A3、第三高侧晶体管Q31、第三低侧晶体管Q32、第三二极管D3、并联于第三高侧晶体管Q31的第一端和第二端之间的二极管、以及并联于第三低侧晶体管Q32的第一端和第二端之间的二极管皆设置在相应的载片台上。上述元器件之间的打线连接按照如图1中所示的智能功率模块100的连接方式实现。

其中，三相驱动中打线不同的地方在于，W相栅极驱动电路A3的使能端ENVU与信号地端COM连接被下拉至地，进而开启了W相栅极驱动电路A3的过流检测功能和故障输出功能。而V相栅极驱动电路A2的使能端ENVU悬置，进而关闭了V相栅极驱动电路A2的过流检测功能和故障输出功能，以及U相栅极驱动电路A1的使能端ENVU悬置，进而关闭了U相栅极驱动电路A1的过流检测功能和故障输出功能。以及W相栅极驱动电路A3的温度信号输出端ITS与W相栅极驱动电路A3的故障报警信号输出端FO通过打线连接，进而开启了W相栅极驱动电路A3的温度输出功能。而V相栅极驱动电路A2的温度信号输出端ITS悬空，进而关闭了V相栅极驱动电路A2的温度输出功能，以及U相栅极驱动电路A1的温度信号输出端ITS悬空，进而关闭了U相栅极驱动电路A1的温度输出功能。

在本实施例中，U相栅极驱动电路A1、V相栅极驱动电路A2、W相栅极驱动电路A3设置在引线框架的上半边区域中，第一至第三二极管D1-D3设置在引线框架的上半边区域中，且第一至第三二极管D1-D3分别设置在对应相栅极驱动电路的一侧。U相半桥电路、V相半桥电路、W相半桥电路设置在引线框架的下半边区域中。对应地，每相半桥电路与对应的栅极驱动电路相对上下设置。在每相半桥电路中的低侧晶体管和高侧晶体管相邻设置，每个并联于高侧/低侧晶体管两端之间的二极管与相应的晶体管设置在同一载片台上。

本申请提供的智能功率模块，在每相半桥驱动电路中采用的栅极驱动电路的内部电路结构和管脚分布均相同，进而利用封装打线选择开启或者关闭任意一相栅极驱动电路的过流检测和故障报警功能，避免了智能功率模块内安装不同的栅极驱动电路，节省了智能功率模块的装片时间，降低了智能功率模块的质量风险。更进一步地，通过封装打线可设置开启或者关闭任意一相栅极驱动电路的温度输出功能，并且因选择开启或者关闭的方式简单，进而使得智能功率模块的温度检测相位可设置，从而使得输出的温度更贴合智能功率模块的中的最高温度。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

依照本实用新型的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化，包括但不限于对电路的局部构造的变更、对元器件的类型或型号的替换。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本实用新型以及在本实用新型基础上的修改使用。本实用新型仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (21)

1.一种智能功率模块，其特征在于，包括：

三相半桥驱动电路，每相半桥驱动电路包括一相半桥电路和栅极驱动电路，所述半桥电路包括低侧晶体管和高侧晶体管，所述栅极驱动电路用于驱动所述低侧晶体管和高侧晶体管的导通与关断，

其中，所述三相半桥驱动电路中的栅极驱动电路完全相同。

2.根据权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述三相半桥驱动电路中的栅极驱动电路的内部电路结构和管脚分布完全相同。

3.根据权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述智能功率模块中的任意一相半桥驱动电路中的栅极驱动电路可以输出表征本相栅极驱动电路的温度检测信号。

4.根据权利要求3所述的智能功率模块，其特征在于，任意一相半桥驱动电路的所述栅极驱动电路的温度信号输出端连接本相半桥驱动电路中栅极驱动电路的故障报警信号输出端，开启所述栅极驱动电路的温度检测及输出功能；其它两相所述栅极驱动电路的温度信号输出端悬空，关闭其它两相所述栅极驱动电路的温度检测及输出功能。

5.根据权利要求4所述的智能功率模块，其特征在于，所述栅极驱动电路包括温度检测单元，所述温度检测单元连接所述栅极驱动电路的所述温度信号输出端，用于温度检测。

6.根据权利要求3所述的智能功率模块，其特征在于，所述智能功率模块中的任意一相半桥驱动电路中的栅极驱动电路的过流检测功能开启，其它两相半桥驱动电路中的栅极驱动电路的过流检测功能关闭。

7.根据权利要求6所述的智能功率模块，其特征在于，所述栅极驱动电路包括：

使能端；

电源端；

过流检测单元，连接使能端和过流检测输入端，对过流检测输入信号进行检测输出过流指示信号；

使能单元，基于所述过流指示信号生成使能信号；以及

驱动单元，连接所述使能单元，接收所述使能信号，所述使能信号控制驱动单元是否生成栅极驱动信号，

其中，根据所述使能端的控制信号的电平状态开启或者关闭过流检测功能。

8.根据权利要求7所述的智能功率模块，其特征在于，所述使能端的控制信号的电平状态受控于所述使能端的封装打线方式。

9.根据权利要求8所述的智能功率模块，其特征在于，任意一相半桥驱动电路的所述栅极驱动电路的使能端连接所述栅极驱动电路的信号地端，所述过流检测输入端接收所述过流检测输入信号，开启本相栅极驱动电路的过流检测功能。

10.根据权利要求9所述的智能功率模块，其特征在于，其它两相半桥驱动电路的所述栅极驱动电路的使能端悬空，所述过流检测输入端不接收所述过流检测输入信号，关闭本相栅极驱动电路的过流检测功能。

11.根据权利要求7所述的智能功率模块，其特征在于，还包括：

欠压检测单元，连接所述栅极驱动电路的电源端，对所述电源端的电源电压进行检测，输出欠压指示信号；

故障管理单元，分别连接所述过流检测单元、所述欠压检测单元以及所述使能单元，接收所述过流指示信号和所述欠压指示信号，根据所述欠压指示信号和过流检测信号产生故障报警信号并提供至所述使能单元，所述使能单元根据所述故障报警信号产生所述使能信号。

12.根据权利要求7所述的智能功率模块，其特征在于，所述过流检测单元包括：

使能模块，基于所述使能端的控制信号控制过流检测输入端是否提供过流检测输入信号；以及

检测模块，连接所述使能模块，将所述过流检测输入信号与第一参考电压比较并输出过流指示信号。

13.根据权利要求12所述的智能功率模块，其特征在于，所述使能模块包括：

第一电阻，其一端接连接所述电源端，另一端连接所述使能端；以及

第一开关，其控制端连接所述使能端，其第一端接地，其第二端连接所述过流检测输入端。

14.根据权利要求13所述的智能功率模块，其特征在于，所述检测模块包括：

第一比较器，其第一输入端与所述第一开关的第二端连接，第二输入端接收第一参考电压；

第一滤波器，其一端连接所述第一比较器的输出端，另一端输出所述过流指示信号。

15.根据权利要求11所述的智能功率模块，其特征在于，所述故障管理单元包括：

逻辑模块，基于过流指示信号、欠压指示信号以及所述使能端的控制信号产生逻辑控制信号；以及

处理模块，连接所述逻辑模块，将所述逻辑控制信号延时以生成所述故障报警信号。

16.根据权利要求15所述的智能功率模块，其特征在于，所述逻辑模块包括：

第一与非门，其第一输入端连接所述过流检测单元以接收所述过流指示信号，其第二输入端连接所述欠压检测单元以接收所述欠压指示信号；

第二非门，其输入端连接所述使能端；

第二与非门，其第一输入端连接所述第一与非门的输出端，其第二输入端连接所述第二非门的输出端；

第三非门，其输入端连接所述第二与非门的输出端，输出端输出所述逻辑控制信号。

17.根据权利要求15所述的智能功率模块，其特征在于，所述处理模块包括：

延时电路，其输入端连接所述逻辑模块的输出端以接收所述逻辑控制信号，其输出端输出所述故障报警信号。

18.根据权利要求11所述的智能功率模块，其特征在于，所述使能单元包括：

第二开关，其控制端连接所述故障管理单元以接收故障报警信号，其第一端接地，其第二端连接所述栅极驱动电路的故障报警信号输出端；

第二比较器，其第一输入端分别连接所述第二开关的第二端和所述栅极驱动电路的关断控制信号输入端，其第二输入端接收第二参考电压；

第三与非门，其第一输入端和第二输入端连接并与所述第二比较器的输出端连接，其输出端输出所述使能信号。

19.根据权利要求18所述的智能功率模块，其特征在于，栅极驱动电路的故障报警信号输出端和所述关断控制信号输入端共用一个管脚。

20.根据权利要求7所述的智能功率模块，其特征在于，所述驱动单元包括：

低侧驱动单元，提供栅极驱动信号以驱动相应的低侧晶体管；

高侧驱动单元，提供栅极驱动信号以驱动相应的高侧晶体管。

21.根据权利要求6所述的智能功率模块，其特征在于，所述智能功率模块包括U相半桥驱动电路、V相半桥驱动电路以及W相半桥驱动电路，所述W相半桥驱动电路的栅极驱动电路的温度信号输出端和故障报警信号输出端连接，所述W相半桥驱动电路的栅极驱动电路的使能端和信号地端连接，开启所述W相半桥驱动电路的温度检测和输出功能以及过流检测功能。

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