CN219717880U - 智能功率模块及空调 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种智能功率模块及空调，所述智能功率模块包括与交流电网连接的整流电路、以及连接在整流电路与交流负载之间的逆变电路，还包括与逆变电路连接的过流保护电路，过流保护电路至少包括一连接于所述逆变电路的供电回路中的切换开关，且切换开关仅在所述逆变电路过流时断开和/或断开，以保护后级电路。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保护动作，且应用成本较低，起到保护电路及元器件、防止压机退磁的作用，提高了智能功率模块工作的可靠性。

Description

智能功率模块及空调

技术领域

本实用新型涉及空调设备领域，特别是智能功率模块及空调。

背景技术

智能功率模块(Intelligent Power Module，IPM)是一种常用的功率器件，它内部集成了IGBT、逆变电路和保护电路，具有性能高、结构简单、可靠性好等优点。在智能功率模块于空调产品的应用中，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。

因此，如何设计一种智能功率模块，能实现在过流状态下对电路进行调节，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空调。

本实用新型采用的技术方案是：

提出了一种智能功率模块，包括与交流电网连接的整流电路、以及连接所述整流电路与交流负载的逆变电路，还包括连接到所述整流电路与所述逆变电路之间的过流保护电路，所述过流保护电路具有至少一个连接于所述整流电路与所述逆变电路之间的切换开关，且所述切换开关的状态在所述逆变电路过流时切换。

进一步地，还包括连接于所述过流保护电路与所述逆变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逆变电路上的电流，并可在所述逆变电路过流时，触发所述过流保护电路，以切换所述切换开关的状态。

进一步地，所述过流保护电路包括：电阻R5、电阻R6、三极管Q1、二极管D14、继电器K2；

所述三极管Q1的集电极连接到所述二极管D14的正极、基极串联所述电阻R5后连接到所述电流采样电路的输出端、发射极接地；

所述二极管D14的负极连接到电源，所述继电器K2作为所述切换开关，且所述继电器K2的控制端的第一端连接到所述二极管D14的正极与所述三极管Q1的集电极之间、第二端连接到所述二极管D14的负极与电源之间，所述继电器K2的受控端串联在所述整流电路与所述逆变电路之间；

所述电阻R6一端连接到所述三极管Q1的基极与所述电阻R5之间、另一端连接到所述三极管Q1的发射极与地之间。

进一步地，所述过流保护电路还包括：电阻R7、电阻R5、电阻R6、三极管Q1、二极管D7、继电器K1；

所述三极管Q1的集电极连接到所述二极管D7的正极、基极串联所述电阻R5后连接到所述电流采样电路的输出端、发射极接地；

所述二极管D7的负极连接到电源，所述继电器K1作为所述切换开关，且所述继电器K1的控制端的第一端连接到所述二极管D7的正极与所述三极管Q1的集电极之间、第二端连接到所述二极管D7的负极与电源之间，所述继电器K1的受控端串联所述电阻R7后连接到所述逆变电路两端；

所述电阻R6一端连接到所述三极管Q1的基极与所述电阻R5之间、另一端连接到所述三极管Q1的发射极与地之间。

进一步地，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连接于所述逆变电路与地之间，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与所述逆变电路之间、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流采样电路的输出端与所述过流保护电路连接。

进一步地，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R2一端连接电源、另一端串联电阻R3后接地，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。

进一步地，所述逆变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。

进一步地，所述逆变电路还包括与所述逆变电路中每个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。

进一步地，所述整流电路为三相全桥电路，其包括组成第四桥臂的二极管D8和二极管D9、组成第五桥臂的二极管D12和二极管D13、组成第六桥臂的二极管D10和二极管D11，所述交流电网的三相输出分别连接到所述第四桥臂的中点、所述第五桥臂的中点、以及所述第六桥臂的中点。

本实用新型还提出了空调，所述空调具有如文所述的智能功率模块。

与现有技术相比，本实用新型至少具有如下有益效果：

首先，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路切断动作，且应用成本较低，起到保护电路及元器件、防止压机退磁的作用，提高了智能功率模块工作的可靠性。其次，在硬件电路快速切断的同时，将大阻值电阻并联接入，吸收电容两端的电压，起到保护后级电路的作用，而机组正常运行时，将并联电阻断开，减少负载分流，降低热损耗。

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为本实用新型整流电路的结构示意图；

图3为本实用新型逆变电路的结构示意图；

图4为本实用新型基准电压给定电路的结构示意图；

图5为本实用新型电流采样电路的结构示意图；

图6为本实用新型过流保护电路第一实施例的结构示意图；

图7为本实用新型过流保护电路第一实施例的结构示意图；

图8为本实用新型过流保护电路第三实施例的结构示意图。

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。

智能功率模块(Intelligent Power Module，IPM)是一种常用的功率器件，它内部集成了IGBT、逆变电路和保护电路，具有性能高、结构简单、可靠性好等优点。在智能功率模块于空调产品的应用中，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。

为了解决上述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，其包括：

整流电路，用于给交流电网输出的三相交流电进行整流，使其变为直流电，并为母线电容充电；

逆变电路，用于从母线电容中取电，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；

电流采样电路，实时采样逆变电路上的电流，并可在逆变电路过流时，触发过流保护电路，从而达到保护的目的；

基准电压给定电路，提供基准电压，其基准电压根据逆变电路过流时电阻R4转换的电压设置；

过流保护电路，在电路过流时，改变切换开关的切换状态，起到保护电路及元器件、防止压机退磁的作用。

其工作原理为：通过基准电压给定电路为电流采样电路提供基准电压，电流采样电路实时采样逆变电路上的电流，并在电路过流时触发过流保护电路，过流保护电路被触发后改变切换开关的切换状态，起到保护电路及元器件、防止压机退磁的作用。综上所述，本实用新型提出的一种智能功率模块通过设置过流保护电路，在电路过流时对电路进行保护动作，从而解决了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。

请参见图4，其为基准电压给定电路的结构示意图。基准电压给定电路包括电阻R2、电阻R3。

电阻R2一端连接电源、另一端串联电阻R3后接地，电阻R3与电阻R2之间电压作为所述基准电压，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，如当逆变电路过流时，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，反之在逆变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5，其为电流采样电路的结构示意图。电流采样电路包括电阻R1、电阻R4、比较器U1。

电阻R1串联于逆变电路与地之间，比较器U1的同相输入端串联电阻R4后连接到电阻R1与逆变电路之间、反相输入端接入基准电压，比较器U1的输出端作为电流采样电路的输出端与过流保护电路连接。

其中，在电阻R1串联在逆变电路与地之间后，电阻R1也接入到逆变电路的供电回路中，逆变电路从母线电容C1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，经过电阻R1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与逆变电路之间的电流，也即逆变电路上的电流，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。

其基准电压根据逆变电路过流时电阻R4转换的电压设置，使得在电路出现过流问题时，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电路的电流情况，输出不同电平的信号给过流保护电路，从而实现对电路电流的动态调节。

请参见图6，其为本实用新型过流保护电路第一实施例的结构示意图。本实用新型过流保护电路第一实施例包括电阻R5、电阻R6、三极管Q1、二极管D14、继电器K2。

三极管Q1的集电极连接到二极管D14的正极、基极串联电阻R5后连接到电流采样电路的输出端、发射极接地；二极管D14的负极连接到电源，继电器K2作为切换开关，且继电器K2的控制端的第一端(K2的端口1)连接到二极管D14的正极与三极管Q1的集电极之间、第二端(K2的端口2)连接到二极管D14的负极与电源之间，继电器K2的受控端串联在整流电路与逆变电路之间；电阻R6一端连接到三极管Q1的基极与电阻R5之间、另一端连接到三极管Q1的发射极与地之间。

其工作原理为：三极管Q1为NPN型三极管，且当电路正常工作时，三级管Q1不导通，继电器K2的受控端为闭合状态；当电路过流时，过流保护电路的输入端，即电阻R5接收到来自电流采样电路输出端输出的高电平信号，三极管Q1基极被拉高，三极管Q1处于导通状态。由于继电器K2的控制端串联在电源与三极管Q1的集电极之间，当三极管Q1导通时，继电器K2的控制端导通，继电器K2的受控端断开，切断逆变电路与前级电路的连接，并通过续流二极管D14消耗继电器K2控制端线圈中的电流。

请参见图7，其为本实用新型过流保护电路第二实施例的结构示意图。本实用新型过流保护电路第二实施例包括电阻R5、电阻R6、电阻R7、三极管Q1、二极管D7、继电器K1。

三极管Q1的集电极连接到二极管D7的正极、基极串联电阻R5后连接到电流采样电路的输出端、发射极接地；二极管D7的负极连接到电源，继电器K1作为所述切换开关，且继电器K1的控制端的第一端(K1的端口1)连接到二极管D7的正极与三极管Q1的集电极之间、第二端(K1的端口2)连接到二极管D7的负极与电源之间，继电器K1的受控端串联电阻R7后连接到逆变电路两端；电阻R6一端连接到三极管Q1的基极与电阻R5之间、另一端连接到三极管Q1的发射极与地之间。

其工作原理为：当电路正常工作时，三级管Q1不导通，继电器K1的受控端为断开状态；当电路过流时，过流保护电路的输入端，即电阻R5接收到来自电流采样电路输出端输出的高电平信号，三极管Q1基极被拉高，三极管Q1处于导通状态。由于继电器K1的控制端串联在电源与三极管Q1的集电极之间，当三极管Q1导通时，继电器K1的控制端导通，继电器K1的受控端闭合，将大阻值的电阻R7接入并并联到交流电网与逆变电路之间，用分流的方式达到限流的目的，且通过续流二极管D14消耗继电器K1控制端线圈中的电流。

请参见图8，其为本实用新型过流保护电路第三实施例的结构示意图。本实用新型过流保护电路第三实施例包括电阻R5、电阻R6、电阻R7、三极管Q1、二极管D7、继电器K1、二极管D14、继电器K2。

三极管Q1的集电极连接到二极管D14的正极以及二极管D7的正极、基极串联电阻R5后连接到电流采样电路的输出端、发射极接地；二极管D14的负极以及二极管D7的负极连接到电源，继电器K1、继电器K2作为切换开关，且继电器K2的控制端的第一端(K2的端口1)连接到二极管D14的正极与三极管Q1的集电极之间、第二端(K2的端口2)连接到二极管D14的负极与电源之间，继电器K2的受控端串联在整流电路与逆变电路之间；继电器K1的控制端的第一端(K1的端口1)连接到二极管D7的正极与三极管Q1的集电极之间、第二端(K1的端口2)连接到二极管D7的负极与电源之间，继电器K1的受控端串联电阻R7后连接到逆变电路两端；电阻R6一端连接到三极管Q1的基极与电阻R5之间、另一端连接到三极管Q1的发射极与地之间。

其工作原理为：当电路正常工作时，三级管Q1不导通，继电器K1的受控端为断开状态，继电器K2的受控端为闭合状态；当电路过流时，过流保护电路的输入端，即电阻R5接收到来自电流采样电路输出端输出的高电平信号，三极管Q1基极被拉高，三极管Q1处于导通状态。由于继电器K1以及继电器K2的控制端串联在电源与三极管Q1的集电极之间，当三极管Q1导通时，继电器K1以及继电器K2的控制端导通，继电器K2的受控端断开，切断逆变电路与前级电路的连接；继电器K1的受控端闭合，将大阻值的电阻R7接入并并联到交流电网与逆变电路之间，用于吸收母线电容C1两端电压以达到对后级电路的保护目的，且通过二极管D14消耗继电器K1控制端线圈中的电流，通过二极管D7消耗继电器K2控制端线圈中的电流。

请参见图2，其为整流电路的结构示意图。整流电路连接在交流电网与逆变电路之间，其为三相全桥电路，包括组成第四桥臂的二极管D8和二极管D9、组成第五桥臂的二极管D12和二极管D13、组成第六桥臂的二极管D10和二极管D11，交流电网分别连接到第四桥臂的中点、第五桥臂的中点、以及第六桥臂的中点。

请参见图3，其为逆变电路的结构示意图。逆变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，能够实现逆变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，通过给逆变电路提供合适的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3，逆变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，本实用新型的工作原理为：

交流电网的三相输出分别连接到整流电路的第四桥臂、第五桥臂、第六桥臂后，整流电路对交流电网输出的三相交流电进行整流，使其变为直流电，并为母线电容C1充电。逆变电路中六个开关管接收到与之匹配的六路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C1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，逆变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逆变电路上的电流，并根据逆变电路上的电流向过流保护电路输出不同电平的信号。

当逆变电路出现过流问题时，电流采样电路中比较器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向过流保护电路输出高电平的信号，从而使得过流保护电路中的三极管Q1导通，三极管Q1导通后，继电器K2的受控端断开，切断逆变电路与整流电路的连接，同时继电器K1的受控端闭合，接入大阻值电阻R7，用于吸收母线电容C1两端的电压，以达到保护后级电路的目的。

当逆变电路正常工作时，电流采样电路中比较器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向过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，继电器K1以及继电器K2的控制端均处于断电状态，即继电器K1的受控端为断开状态，继电器K2的受控端为闭合状态，此时电阻R7断开，即电阻R7被屏蔽出电路，不影响电路中的电流，逆变电路正常工作，且减少负载分流，降低热损耗。

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作的任何修改、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，包括与交流电网连接的整流电路、以及连接所述整流电路与交流负载的逆变电路，其特征在于，还包括连接到所述整流电路与所述逆变电路之间的过流保护电路，所述过流保护电路具有至少一个连接于所述整流电路与所述逆变电路之间的切换开关，且所述切换开关的状态在所述逆变电路过流时切换。

2.根据权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，还包括连接于所述过流保护电路与所述逆变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逆变电路上的电流，并可在所述逆变电路过流时，触发所述过流保护电路，以切换所述切换开关的状态。

3.根据权利要求2所述的智能功率模块，其特征在于，所述过流保护电路包括：电阻R5、电阻R6、三极管Q1、二极管D14、继电器K2；

所述三极管Q1的集电极连接到所述二极管D14的正极、基极串联所述电阻R5后连接到所述电流采样电路的输出端、发射极接地；

所述二极管D14的负极连接到电源，所述继电器K2作为所述切换开关，且所述继电器K2的控制端的第一端连接到所述二极管D14的正极与所述三极管Q1的集电极之间、第二端连接到所述二极管D14的负极与电源之间，所述继电器K2的受控端串联在所述整流电路与所述逆变电路之间；

所述电阻R6一端连接到所述三极管Q1的基极与所述电阻R5之间、另一端连接到所述三极管Q1的发射极与地之间。

4.根据权利要求2所述的智能功率模块，其特征在于，所述过流保护电路还包括：电阻R7、电阻R5、电阻R6、三极管Q1、二极管D7、继电器K1；

所述三极管Q1的集电极连接到所述二极管D7的正极、基极串联所述电阻R5后连接到所述电流采样电路的输出端、发射极接地；

所述二极管D7的负极连接到电源，所述继电器K1作为所述切换开关，且所述继电器K1的控制端的第一端连接到所述二极管D7的正极与所述三极管Q1的集电极之间、第二端连接到所述二极管D7的负极与电源之间，所述继电器K1的受控端串联所述电阻R7后连接到所述逆变电路两端；

所述电阻R6一端连接到所述三极管Q1的基极与所述电阻R5之间、另一端连接到所述三极管Q1的发射极与地之间。

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连接于所述逆变电路与地之间，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与所述逆变电路之间、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流采样电路的输出端与所述过流保护电路连接。

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R2一端连接电源、另一端串联电阻R3后接地，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，所述逆变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，所述逆变电路还包括与所述逆变电路中每个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.根据权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述整流电路为三相全桥电路，其包括组成第四桥臂的二极管D8和二极管D9、组成第五桥臂的二极管D12和二极管D13、组成第六桥臂的二极管D10和二极管D11，所述交流电网的三相输出分别连接到所述第四桥臂的中点、所述第五桥臂的中点、以及所述第六桥臂的中点。

10.空调，其特征在于，所述空调具有如权利要求1至9任意一项权利要求所述的智能功率模块。