CN218041198U - 智能功率模块及电器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种智能功率模块及电器，所述智能功率模块包括连接在母线电容与交流负载之间的驱动电路，还包括与所述驱动电路连接的限流保护电路，所述限流保护电路至少包括一串联于所述驱动电路的供电回路中的热敏元件，且所述热敏元件仅在所述驱动电路过流时接入，以降低所述驱动电路上的电流。与现有技术相比，本实用新型能够在电流过流时自动检测当前的电流信号，并通过硬件电路在短时间内能快速进行电流限制动作，且应用成本较低，提高了智能功率模块工作的可靠性。

Description

智能功率模块及电器

技术领域

本实用新型涉及智能功率模块，特别是一种智能功率模块及电器。

背景技术

智能功率模块(Intelligent PowerModule，IPM)是一种常用的功率器件，它内部集成了IGBT、驱动电路和保护电路，具有性能高、结构简单、可靠性好等优点。在智能功率模块于电器产品的应用中，电机工作时IPM需要工作于大电流、高电压的复杂情况下，当智能功率模块电流超过限定值，保护电路无法快速进行反应的情况下，极有可能使电路烧毁，存在一定的安全隐患。

现有技术下对于电流过流的处理主要是通过关断PWM信号对智能功率模块进行保护，但采用该方式进行会使得智能功率模块直接关机，影响电器的工作。

因此，如何设计一种智能功率模块，能实现不停机状态下对电路电流进行调节，提高智能功率模块工作的安全性和可靠性，是业界亟待解决的技术问题。

实用新型内容

针对现有技术中，智能功率模块在电流超过限定值时，容易造成电路烧毁的问题，本实用新型提出了一种智能功率模块及电器。

本实用新型的技术方案为，提出了一种智能功率模块，包括连接在母线电容与交流负载之间的驱动电路，还包括与所述驱动电路连接的限流保护电路，所述限流保护电路至少包括一串联于所述驱动电路的供电回路中的热敏元件，且所述热敏元件仅在所述驱动电路过流时接入，以降低所述驱动电路上的电流。

进一步，还包括连接于所述限流保护电路与所述驱动电路之间的电流采样电路，所述电流采样电路可实时采样所述驱动电路上的电流，并可在所述驱动电路过流时，触发所述驱动电路，使所述热敏元件接入电路。

进一步，所述限流保护电路包括热敏电阻PTC、继电器K1、三极管Q1、电阻R5；

所述热敏电阻PTC作为所述热敏元件串联于所述驱动电路的供电回路中，所述三极管Q1的集电极连接电源、基极串联所述电阻R5后连接到电流采样电路的输出端、发射极连接到所述继电器K1的控制端，所述继电器K1的受控端并联在所述热敏电阻PTC两端。

进一步，所述限流保护电路还包括：续流二极管D7、LED灯D8；

所述LED灯D8串联在所述三极管Q1与所述继电器K1之间、所述续流二极管D7并联在所述继电器K1的控制端的两端。

进一步，所述电流采样电路包括电阻R1、电阻R4、比较器U1；

所述电阻R1串联于所述热敏元件与所述驱动电路之间，所述比较器U1的同相输入端串联电阻R4后连接到所述电阻R1与所述驱动电路之间、反相输入端接入基准电压，所述比较器U1的输出端作为所述电路采样电路的输出端与所述限流保护电路连接。

进一步，还包括与所述电流采样电路连接的基准电压给定电路，所述基准电压给定电路包括电阻R2、电阻R3；

所述电阻R3一端连接电源、另一端串联电阻R2后接地，所述电阻R2与所述电阻R3之间电压作为所述基准电压，所述比较器U1的反相输入端连接到所述电阻R2与所述电阻R3之间。

进一步，所述驱动电路为三相全桥电路，其包括组成第一桥臂的开关管V1和开关管V4、组成第二桥臂的开关管V3和开关管V6、组成第三桥臂的开关管V5和开关管V2，所述交流负载的三相电感分别连接到所述第一桥臂的中点、所述第二桥臂的中点、以及所述第三桥臂的中点。

进一步，所述驱动电路还包括与每个所述开关管匹配设置的续流二极管，且所述续流二极管的导通方向和与之匹配的开关管的导通方向相反。

本实用新型还提出了一种电器，所述电器具有上述智能功率模块。

进一步的，所述电器为空调。

与现有技术相比，本实用新型至少具有如下有益效果：

本实用新型能够在智能功率模块电流过流时自动检测当前的电流信号，并且通过硬件电路在短时间能快速进行电流限制动作，且应用成本较低，提高了智能功率模块工作的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型智能功率模块整体的电路结构图；

图2为本实用新型驱动电路的结构示意图；

图3为本实用新型电流采样电路的结构示意图；

图4为本实用新型限流保护电路的结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

由此，本说明书中所指出的一个特征将用于说明本实用新型的一个实施方式的其中一个特征，而不是暗示本实用新型的每个实施方式必须具有所说明的特征。此外，应当注意的是本说明书描述了许多特征。尽管某些特征可以组合在一起以示出可能的系统设计，但是这些特征也可用于其他的未明确说明的组合。由此，除非另有说明，所说明的组合并非旨在限制。

下面结合附图以及实施例对本实用新型的原理及结构进行详细说明。

在智能功率模块于电器产品的应用中，电机工作时IPM需要工作于大电流、高电压的复杂情况下，当智能功率模块电流超过限定值，保护电路无法快速进行反应的情况下，极有可能使电路烧毁，存在一定的安全隐患。本实用新型的思路在于，通过设计电流采样电路和限流保护电路，在电路过流时接入热敏元件，提高智能功率模块的电路阻抗，从而降低电流，实现限流保护，无需关断IPM信号即可进行保护。

本实用新型提出的智能功率模块，包括连接在母线电容与交流负载之间的驱动电路、与驱动电路连接的限流保护电路，其中限流保护电路至少包括有一串联在驱动电路的供电回路中的热敏元件，且通过对限流保护电路的设置，使得该热敏元件只有在驱动电路出现过流时才会接入，从而降低驱动电路上的电流。

其中，驱动电路用于从母线电容取电，并将母线电容输出的直流电逆变成三相交流电为交流负载供电，热敏元件串联在驱动电路的供电回路中，通过提高驱动电路整体电阻的方式降低驱动电路上的电流，从而达到保护的效果。

进一步的，本实用新型还包括连接在限流保护电路与驱动电路之间的电流采样电路，电流采样电路可实时采样驱动电路上的电流，并可在驱动电路过流时，触发驱动电路，使热敏元件接入电路，从而达到限流的目的。

相比于直接接入热敏元件的方式，通过电流采样电路进行控制，能使得热敏元件只有在驱动电路出现过流问题时才会进行限流，能起到更可靠的保护。若直接接入热敏元件，热敏元件全程参与工作，随着驱动电路的工作其热敏电阻上的温度升高，电阻升高，在未出现过流问题时，热敏元件会极大程度的抑制驱动电路上的电流，而智能功率模块需要工作于高电流的工况下，无疑会影响智能功率模块对负载的驱动效果。此外，热敏电阻接入电路后，其自身发热会导致温度难以控制，容易在驱动电路未出现过流问题下，其温度超出居里温度，电阻出现阶跃式升高，抑制驱动电路上的电流，影响其正常工作。

请参见图4，限流保护电路包括热敏电阻PTC、继电器K1、三极管Q1、电阻R5；

热敏电阻PTC作为热敏元件串联于驱动电路的供电回路中，三极管Q1的集电极连接电源、基极串联电阻R5后连接到电流采样电路的输出端、发射极连接到继电器K1的控制端，继电器K1的受控端并联在热敏电阻PTC两端。

其中，在驱动电路出现过流问题时，电流采样电路用于向限流保护电路输出高电平信号，反之，在驱动电路未出现过流问题时，电路采样电路用于向限流保护电路输出低电平信号。

其限流保护电路的工作原理为，在驱动电路的电流正常，未出现过流问题时，三级管Q1的基极从电流采样电路获取低电平信号，使得三极管Q1截止，继电器K1的控制端未上电，使得继电器K1的受控端处于闭合状态，由于继电器K1的受控端连接在热敏电阻PTC两端，其相当于给热敏电阻PTC短路，热敏电阻PTC不接入电路。

在驱动电路出现过流问题时，三极管Q1的基极从电流采样电路获取高电平信号，使得三极管Q1导通，继电器K1的控制端上电，从而使得继电器K1的受控端断开，此时热敏电阻PTC正常接入电路，由于热敏电阻PTC工作在高温环境下，其电阻会出现阶跃式增长，根据欧姆定律，在热敏电阻PTC接入电路后，驱动电路上的电流会极大程度的降低，从而达到限流的目的，以保护驱动电路。

请参见图4，限流保护电路还包括：续流二极管D7、LED灯D8；

其中，LED灯D8串联在三极管Q1与继电器K1之间、续流二极管D7并联在继电器K1的控制端的两端。

其LED灯D8用于更明显的观察驱动电路是否过流，在驱动电路出现过流时，三极管Q1导通后LED灯D8也会上电，从而发光提醒用于驱动电路出现过流问题，以便用户检修。续流二极管D7用于对继电器K1进行放电，本实用新型中继电器K1的控制端采用线圈控制，在驱动电路正常工作，继电器K1未上电时，续流二极管D7能够释放线圈内的能量，从而避免过流时出现的误判问题。

请参见图3，电流采样电路包括电阻R1、电阻R4、比较器U1；

其电阻R1串联于热敏元件与驱动电路之间，比较器U1的同相输入端串联电阻R4后连接到电阻R1与驱动电路之间、反相输入端接入基准电压，比较器U1的输出端作为电路采样电路的输出端与限流保护电路连接。

其中，在电阻R1串联在热敏元件与驱动电路之间后，其电阻R1也接入到驱动电路的供电回路中，其驱动电路从母线电容取电后，经过其上桥臂后再对交流负载进行放电，然后通过其下桥臂后流入到电阻R1处，然后依次经过电阻R1和热敏元件后导向地，由于串联电路中各处电流相同，因此比较器U1通过电阻R4获取到电阻R1与驱动电路之间的电流，也即驱动电路上的电流，然后经过电阻R4后将该电流信号转换为电压信号，用于与基准电压进行比较。

其基准电压根据驱动电路过流时电阻R4转换的电压设置，使得在驱动电路出现过流问题时，其比较器U1通过电阻R1获取的电压高于反相输入端的基准电压，比较器U1输出高电平信号，在驱动电路正常工作时，比较器U1通过电阻R1获取的电压低于反相输入端的基准电压，比较器U1输出低电平信号。通过该设计方式，可以使电流采样电路根据驱动电路的电流情况，输出不同电平的信号给限流保护电路，从而实现对电路电流的动态调节。

进一步的，请参见图3，本实用新型还包括与电流采样电路连接的基准电压给定电路，基准电压给定电路包括电阻R2、电阻R3；

其电阻R3一端连接电源、另一端串联电阻R2后接地，电阻R2与所述电阻R3之间电压作为基准电压，比较器U1的反相输入端连接到电阻R2与电阻R3之间。

其中，比较器U1获取反相输入端获取的电压为电阻R2与电阻R3的分压，根据串联分压原理，串联电路中各电阻上的电压与其电阻成正比，即R2：R3＝U2：U3，因此，可以确定出电阻R2与电阻R3之间的电压为U＝(U0*R2)/(R2+R3)，其中R2为电阻R2的阻值，R3为电阻R3的阻值，U为电阻R2与电阻R3之间的电压，R0为电源电压，U2为电阻R2上的电压，U3为电阻R3上的电压。

其基准电压根据过流时比较器U1同相输入端接入的电压确定，如当驱动电路过流时，比较器U1同相输入端接收到的电压为1.65V时，可以设置为(U0*R2)/(R2+R3)＝1.65，本实用新型中电源电压设置为3.3V，因此可以设置电阻R2与电阻R3的阻值相同，从而使电阻R2与电阻R3之间的电压变为1.65V，即基准电压设置为1.65V。通过该设计方式后，能使得电流采样电路只会在驱动电路出现过流问题时，才会控制比较器U1输出高电平信号，反之在驱动电路正常工作的情况下，比较器U1输出低电平信号。

请参见图2，驱动电路为三相全桥电路，其包括组成第一桥臂的开关管V1和开关管V4、组成第二桥臂的开关管V3和开关管V6、组成第三桥臂的开关管V5和开关管V2，交流负载的三相电感分别连接到第一桥臂的中点、第二桥臂的中点、以及第三桥臂的中点。

通过该设计方式，能够实现驱动电路对交流负载的三相电感的控制，其当第一桥臂的上臂开关，即开关管V1导通时使三相电感中的电感L1接入电路进行供电，当第二桥臂的上臂开关，即开关管V3导通时使三相电感中的电感L2接入电路进行供电，当第三桥臂的上臂开关，即开关管V5导通时使三相电感中的L3接入电路进行供电，其电感L1为U相电感、电感L2为V相电感、电感L3为W相电感，通过给驱动电路提供合适的IPM信号，对驱动电路的开关管进行控制，能够实现对三相电感各相的供电。

进一步的，请参见图2，驱动电路还包括与每个开关管匹配设置的续流二极管，且续流二极管的导通方向和与之匹配的开关管的导通方向相反。

其续流二极管分别为二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6，其中二极管D1作为开关管V1的续流二极管、二极管D2作为开关管V2的续流二极管、二极管D3作为开关管V3的续流二极管、二极管D4作为开关管V4的续流二极管、二极管D5作为开关管V5的续流二极管、二极管D6作为开关管V6的续流二极管，其续流二极管并联在与之对应开关管两端，并与其形成回路，使其产生的高电动势在回路中以续电流方式消耗，从而起到保护电路中元件不被损坏的作用。

请参见图1，本实用新型整体的工作原理为：

驱动电路中六个开关管接收到阈值匹配的六路PWM信号，分别对应每一个桥臂的上臂开关以及下臂开关的导通状态的控制，将母线电容的直流母线电压转换为三相交流电，从而对交流负载进行供电，其中，驱动电路工作在一个高电平的状态，以保证交流负载的正常运行。电流采样电路用于实时采样驱动电路上的电流，并根据驱动电路上的电流向限流保护电路输出不同电平的信号。

当驱动电路出现过流问题时，电路采样电路中比较器U1同相输入端接收到的电压高于其反相输入端的电压，比较器U1向限流保护电路输出高电平的信号，从而使得限流保护电路中的三极管Q1导通，三极管Q1导通后，LED灯D8和继电器K1的控制端上电，LED灯发光，提醒用户驱动电路出现过流问题，同时继电器K1的控制端控制其受控端断开，从而使得热敏电阻PTC接入驱动电路，且该情况下由于驱动电路过流，热敏电阻PTC上的温度高于居里温度，热敏电阻PTC的阻值极高，在热敏电阻PTC接入驱动电路后，会使得驱动电路中的电流出现极大程度的降低，从而达到限流效果；

当驱动电路正常工作时，电路采样电路中比较器U1同相输入端接收到的电压低于其反相输入端的电压，比较器U1向限流保护电路输出低电平的信号，使得三极管Q1处于截止状态，LED灯D8和继电器K1的控制端均处于断电状态，LED灯不发光，同时继电器K1的受控端恢复到其默认状态，即闭合状态，此时热敏电阻PTC处于短路状态，即热敏电阻PTC被屏蔽出电路，不影响电路中的电流，驱动电路正常工作。

本实用新型还提出了一种电器，所述电器具有上述智能功率模块。

与现有技术相比，本实用新型能够在智能功率模块电流过流时自动检测当前的电流信号，并且通过硬件电路在短时间能快速进行电流限制动作，且应用成本较低，提高了智能功率模块工作的可靠性。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.智能功率模块，包括连接在母线电容与交流负载之间的驱动电路，其特征在于，还包括与所述驱动电路连接的限流保护电路，所述限流保护电路至少包括一串联于所述驱动电路的供电回路中的热敏元件，且所述热敏元件仅在所述驱动电路过流时接入，以降低所述驱动电路上的电流。

2.根据权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，还包括连接于所述限流保护电路与所述驱动电路之间的电流采样电路，所述电流采样电路可实时采样所述驱动电路上的电流，并可在所述驱动电路过流时，触发所述驱动电路，使所述热敏元件接入电路。

3.根据权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述限流保护电路包括热敏电阻PTC、继电器K1、三极管Q1、电阻R5；

所述热敏电阻PTC作为所述热敏元件串联于所述驱动电路的供电回路中，所述三极管Q1的集电极连接电源、基极串联所述电阻R5后连接到电流采样电路的输出端、发射极连接到所述继电器K1的控制端，所述继电器K1的受控端并联在所述热敏电阻PTC两端。

4.根据权利要求3所述的智能功率模块，其特征在于，所述限流保护电路还包括：续流二极管D7、LED灯D8；

所述LED灯D8串联在所述三极管Q1与所述继电器K1之间、所述续流二极管D7并联在所述继电器K1的控制端的两端。

5.根据权利要求2所述的智能功率模块，其特征在于，所述电流采样电路包括电阻R1、电阻R4、比较器U1；

所述电阻R1串联于所述热敏元件与所述驱动电路之间，所述比较器U1的同相输入端串联电阻R4后连接到所述电阻R1与所述驱动电路之间、反相输入端接入基准电压，所述比较器U1的输出端作为所述电路采样电路的输出端与所述限流保护电路连接。

6.根据权利要求5所述的智能功率模块，其特征在于，还包括与所述电流采样电路连接的基准电压给定电路，所述基准电压给定电路包括电阻R2、电阻R3；

所述电阻R3一端连接电源、另一端串联电阻R2后接地，所述电阻R2与所述电阻R3之间电压作为所述基准电压，所述比较器U1的反相输入端连接到所述电阻R2与所述电阻R3之间。

7.根据权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述驱动电路为三相全桥电路，其包括组成第一桥臂的开关管V1和开关管V4、组成第二桥臂的开关管V3和开关管V6、组成第三桥臂的开关管V5和开关管V2，所述交流负载的三相电感分别连接到所述第一桥臂的中点、所述第二桥臂的中点、以及所述第三桥臂的中点。

8.根据权利要求7所述的智能功率模块，其特征在于，所述驱动电路还包括与每个所述开关管匹配设置的续流二极管，且所述续流二极管的导通方向和与之匹配的开关管的导通方向相反。

9.电器，其特征在于，所述电器具有如权利要求1至8任意一项权利要求所述的智能功率模块。

10.根据权利要求9所述的电器，其特征在于，所述电器为空调。

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