WO2021129458A1 - 智能功率模块及驱动控制方法 - Google Patents

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冯宇翔
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Abstract

本发明公开了一种智能功率模块及驱动控制方法，所述智能功率模块包括高压集成驱动芯片和功率开关; 所述高压集成驱动芯片包括驱动电流调节模块、检测模块和控制信号输入端; 所述控制信号输入端与所述检测模块的输入端连接; 所述检测模块的输出端与所述驱动电流调节模块的输入端连接; 所述驱动电流调节模块的输出端与所述功率开关的栅极连接。通过在智能功率模块的高压集成驱动芯片中集成功率开关的驱动电流调节模块和检测模块，实现功率开关开通过程中的驱动电流调节，进而达到开通损耗和电流过冲关系自动优化目的。由于是在高压集成驱动芯片中集成的驱动电流调节模块和检测模块，因此集成度也比较高。

Description

智能功率模块及驱动控制方法
本申请要求于2019年12月24日提交中国专利局、申请号为201911351268.9、申请名称为“智能功率模块及驱动控制方法”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
本发明涉及智能功率模块技术领域，具体涉及一种智能功率模块及驱动控制方法。
背景技术
智能功率模块(IPM，Intelligent Power Module)是一种集成了高压集成驱动芯片(HVIC，High Voltage Integrated Circuit)和功率开关器件的功率驱动类产品。当功率开关的开通损耗过低时，会出现尖峰电流过冲而烧坏功率开关的问题，而当尖峰电流降低太多时，又会出现开通损耗过高的问题，因此在应用智能功率模块进行功率驱动时，需要调节开通损耗和电流过冲的折中关系。
相关技术中，通过在功率开关的栅极串联一个栅极电阻，改变栅极电阻大小来调节开通损耗和电流过冲的折中关系，但无法实现在功率开关开通过程中的不同阶段对折中关系的自动优化。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术的不足提出的一种智能功率模块及驱动控制方法，该目的是通过以下技术方案实现的。
本发明的第一方面提出了一种智能功率模块，所述智能功率模块包括高压集成驱动芯片和功率开关；所述高压集成驱动芯片包括驱动电流调节模块、检测模块和控制信号输入端；
所述控制信号输入端与所述检测模块的输入端连接；
所述检测模块的输出端与所述驱动电流调节模块的输入端连接；
所述驱动电流调节模块的输出端与所述功率开关的栅极连接。
本发明的第二方面提出了一种驱动控制方法，所述方法应用于如上述第一方面所述的智能功率模块，所述方法包括：
检测模块获取所述功率开关的栅极电压和漏极或集电极的电压变化速率，并获得所述栅极电压和所述电压变化速率的判定结果；
在控制信号输入端接收的用于开通功率开关的控制信号控制下，所述检测模块将所述判定结果传输至驱动电流调节模块；
所述驱动电流调节模块根据所述判定结果调节向所述功率开关提供的驱动 电流。
在本申请实施例中，通过在智能功率模块的高压集成驱动芯片中集成功率开关的驱动电流调节模块和检测模块，实现功率开关开通过程中的驱动电流调节，进而达到开通损耗和电流过冲关系自动优化目的。由于是在高压集成驱动芯片中集成的驱动电流调节模块和检测模块，因此集成度也比较高。另外，即使功率开关由于长时间的使用导致导通关断性能发生改变，由于驱动电流调节模块是根据检测模块的检测结果提供驱动电流，因此本方案仍然可以使功率开关的开通损耗与电流过冲处于最优的折中关系。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本申请的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为相关技术中智能功率模块的栅驱动控制结构示意图；
图2为本发明根据一示例性实施例示出的智能功率模块结构示意图；
图3为一种功率开关的驱动曲线示意图；
图4为本发明根据一示例性实施例示出的一种驱动控制方法的实施例流程图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
应当理解，尽管在本发明可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。
如图1所示，智能功率模块中的每一功率开关的栅极均串联一个栅极电阻Rg，在智能功率模块批量生产前，研发人员通过改变电阻Rg大小来测试功率开关的开通损耗和电流过冲的关系，最终选择一个开通损耗最小但不存在电流过 冲问题的电阻值，并用该电阻值大小的电阻作为栅极电阻，以批量生产智能功率模块。
由于栅极电阻是封装在智能功率模块中的，在使用智能功率模块过程中，是无法改变栅极电阻大小的，因此无法对开通损耗和电流过冲的折中关系进行自动优化。并且，功率开关在长时间使用过程中，其导通关断性能会发生改变，导致出厂时所用的栅极电阻大小已经无法使功率开关的开通损耗与电流过冲处于最优的折中关系。
为解决上述技术问题，发明人发现功率开关的开通关断由栅极的驱动电流决定，调节栅极电阻大小改变的是栅极的驱动电流，因此通过在智能功率模块的高压集成驱动芯片中集成功率开关的驱动电流调节模块和检测模块，以根据检测到的功率开关开通过程中所处的不同阶段调节向功率开关提供的驱动电流大小，达到对开通损耗和电流过冲关系的自动优化目的。
如图2所示，智能功率模块包括高压集成驱动芯片200、功率开关101，高压集成驱动芯片200包括驱动电流调节模块210、检测模块220和控制信号输入端HIN/LIN。
其中，控制信号输入端HIN/LIN与检测模块220的输入端连接，检测模块220的输出端与驱动电流调节模块210的输入端连接，驱动电流调节模块的输出端与功率开关101的栅极连接。
本领域技术人员可以理解的是，上述图2所示的智能功率模块包括一个功率开关101仅为示例性说明，在实际应用中，智能功能模块通常包括多个功率开关，相应的，每个功率开关对应有一个驱动电流调节模块、一个检测模块和一个控制信号输入端。
其中，HIN指的是上桥输入，即对应的功率开关属于上桥，LIN指的是下桥输入，即对应的功率开关属于下桥。
示例性的，功率开关可以是MOS管，也可以是晶体管(IGBT，Insulated Gate Bipolar Transistor)，本发明对此不进行限定。
如图3所示，以晶体管的驱动曲线为例，t1、t2、t3、t4以及t5的一部分为功率开关的开通过程，功率开关处于关断状态时，集电极电压Vce保持不变，当功率开关开始开通时，Vce开始逐渐降低，直至降为0之后，功率开关成功开通，而栅极电压Vge是先逐渐上升到一定值突然开始逐渐下降，下降至Vp时保持一段时间不变后又逐渐上升至Vcc。
在功率开关开通过程中，集电极电流Ic会达到一个尖峰电流，如果通过加大驱动电流缩短开通时间，减小开通损耗，Ic会很高，很容易烧坏开关，而如果减小驱动电流拉长开通时间，降低Ic，开通损耗就比较高。
由此可见，功率开关在开通过程中，栅极电压会由一个初始值上升至电源电压Vcc，集电极电压一直处于下降变化状态，因此通过将栅极电压与电压阈值的比较结果和，并结合集电极电压变化速率与速率阈值的比较结果，可以体现功率开关开通过程中的不同阶段，通过在不同阶段提供不同的驱动电流，以防止尖峰电流过高的同时缩短开关的开通时间，从而达到开通损耗和电流过冲关系的优化目的。
基于上述分析，在本发明中，当功率开关是MOS管时，功率开关开通过程中的不同阶段可以通过检测模块获取的栅极电压和漏极的电压变化速率判定；当功率开关是晶体管时，功率开关开通过程中的不同阶段可以通过检测模块获取的栅极电压和集电极的电压变化速率判定。
上述图2所示的智能功率模块的驱动控制流程为：
检测模块220持续获取功率开关101的栅极电压和漏极或集电极的电压变化速率，并获得栅极电压和电压变化速率的判定结果，当控制信号输入端HIN/LIN接收到用于开通功率开关的控制信号时，检测模块将判定结果传输至驱动电流调节模块210，从而驱动电流调节模块210可以根据每次传输的判定结果调节向功率开关101提供的驱动电流。
直至控制信号输入端HIN/LIN接收到用于关断功率开关的控制信号时，检测模块220停止向驱动电流调节模块210传输判定结果。
在本实施例中，通过在智能功率模块的高压集成驱动芯片中集成功率开关的驱动电流调节模块和检测模块，实现功率开关开通过程中的驱动电流调节，进而达到开通损耗和电流过冲关系自动优化目的。由于是在高压集成驱动芯片中集成的驱动电流调节模块和检测模块，因此集成度也比较高。另外，即使功率开关由于长时间的使用导致导通关断性能发生改变，由于驱动电流调节模块是根据检测模块的检测结果提供驱动电流，因此本方案仍然可以使功率开关的开通损耗与电流过冲处于最优的折中关系。
在一实施例中，如图2所示，高压集成驱动芯片200还包括晶体管240，晶体管240的栅极与控制信号输入端HIN/LIN连接，晶体管240的漏极与功率开关101的栅极连接。
其中，晶体管用于将用于关断功率开关的控制信号传输至功率开关。即当控制信号输入端HIN/LIN接收到用于开通功率开关的控制信号时，晶体管240关断，当控制信号输入端HIN/LIN接收到用于关断功率开关的控制信号时，晶体管240导通，进而触发功率开关开始放电。
示例性的，晶体管240可以是NMOS管。
需要说明的是，高压集成驱动芯片200还可包括与控制信号输入端HIN/LIN连接的信号处理模块230，用于对控制信号进行滤波、整形等处理。
在一实施例中，再如图2所示，检测模块220包括第一检测电路221、第二检测电路222和结果判定电路223；第一检测电路221的第一端与功率开关101的栅极连接，第二检测电路222的第一端与功率开关101的漏极或集电极连接，第一检测电路221的第二端和第二检测电路222的第二端与所述结果判定电路223连接。
其中，第一检测电路221用于检测功率开关101的栅极电压Vge，第二检测电路222用于检测功率开关101的漏极或集电极的电压变化速率dVce/dt，结果判定电路223用于将所述栅极电压与第一电压阈值、第二电压阈值、本智能功率模块的电源电压比较，并将所述电压变化速率与速率阈值比较，得到判定结果。
其中，第一电压阈值和第二电压阈值均小于电源电压。
在一实施例中，再如图2所示，驱动电流调节模块210包括第一电流电路211、第二电流电路212和电流选择电路213；所述第一电流电路211的输出端和所述第二电流电路212的输出端均与所述电流选择电路213连接。
其中，第一电流电路211输出的第一电流小于第二电流电路212输出的第二电流。电流选择电路213用于根据检测模块220发送的判定结果选择第一电流和/或第二电流，亦或输出为0。
示例性的，电流选择电路213可以是一个模拟开关，即可通过传输门器件或者开关控制电路实现。
本领域技术人员可以理解的是，驱动电流调节模块210是用于根据不同的判定结果提供不同的驱动电流，为了能够使驱动电流调节模块210输出不同大小的驱动电流，驱动电流调节模块210需要至少包括两个电流电路，以供电流选择电路213选择不同大小的驱动电流输出。
在一实施例中，再如图2所示，高压集成驱动芯片还可包括电压输入端Vdg，电压输入端Vdg分别与所述第一电流电路211的输入端和所述第二电流电路212的输入端连接。
其中，电压输入端Vdg用于为第一电流电路211和第二电流电路212提供电压。
在一示例中，所述电压输入端Vdg可以与智能功率模块外接的可调电阻Rdg连接，所述可调电阻Rdg用于调节电压输入端Vdg的输入电压大小。
通过调节可调电阻Rdg大小可改变电压输入端Vdg的输入电压大小，进而可改变第一电流和第二电流大小，满足用户调节电流大小的需求，并进一步优化开通损耗和电流过冲的折中关系。
其中，当用户增大可调电阻Rdg时，电压输入端Vdg的输入电压减小，进而第一电流和第二电流均减小；当用户减小可调电阻Rdg时，电压输入端Vdg的输入电压增大，进而第一电流和第二电流均增大。
在另一示例中，电压输入端Vdg还可以与一个MCU(Microcontroller Unit，微控制单元)连接，通过改变MCU输出的脉冲宽度以改变Vdg大小。
下面以具体实施例对智能功率模块的驱动控制流程进行详细阐述。
图4为本发明根据一示例性实施例示出的一种驱动控制方法的实施例流程图，基于上述图2所示的智能功率模块基础上，所述驱动控制方法包括如下步骤：
步骤401：检测模块获取功率开关的栅极电压和漏极或集电极的电压变化速率，并获得所述栅极电压和所述电压变化速率的判定结果。
在一实施例中，可以通过第一检测电路检测功率开关的栅极电压，以及通过第二检测电路检测功率开关的漏极或集电极的电压变化速率，并通过结果判定电路将所述栅极电压与第一电压阈值、第二电压阈值、本智能功率模块的电源电压比较，并将所述电压变化速率与速率阈值比较，得到判定结果。
其中，将栅极电压与两个电压阈值和电源电压的比较及电压变化速率与速率阈值的比较，可以区分功率开关开通过程中的不同阶段，以用于为不同阶段提供大小不同的驱动电流，在缩短开通时间的同时降低尖峰电流，进而达到开通损耗与电流过冲折中关系的优化目的。
步骤402：在控制信号输入端接收的用于开通功率开关的控制信号控制下，所述检测模块将所述判定结果传输至驱动电流调节模块。
在步骤402中，在正逻辑时，用于开通功率开关的控制信号为高电平信号，在负逻辑时，用于开通功率开关的控制信号为低电平信号。
值得注意的是，在控制信号输入端接收的用于开通功率开关的控制信号控制下，此时晶体管关断，功率开关开始充电。
步骤403：驱动电流调节模块根据所述判定结果调节向功率开关提供的驱动电流。
在一实施例中，根据判定结果为栅极电压小于未位于第一电压阈值与第二电压阈值之间且电压变化速率小于速率阈值，电流选择电路将第一电流电路输出的第一电流和第二电流电路输出的第二电流之和作为驱动电流；根据判定结 果为栅极电压位于第一电压阈值与第二电压阈值之间且电压变化速率小于速率阈值，将第一电流电路输出的第一电流作为驱动电流；根据判定结果为栅极电压位于第一电压阈值与第二电压阈值之间且电压变化速率大于速率阈值，将第二电流电路输出的第二电流作为驱动电流；根据判定结果为栅极电压为电源电压时，将零作为驱动电流。
下面对第一电压阈值、第二电压阈值、速率阈值的选取及驱动电流的调节原理进行详细阐述。
如上述图3所示的驱动曲线，第一电压阈值为Vth，Vp<第二电压阈值Vm<Vcc。集电极或漏极的电压变化速率是为了区分功率开关的米勒平台区间，即t4区间，因此速率阈值A可根据Vp对应的平缓区域的集电极电压变化速率进行设置，由图3可知，集电极电压在t4区间下降最快，因此电压变化速率最大，进而当电压变化速率大于该速率阈值时，表示功率开关进入米勒平台区间。
如表1所示，为功率开关开通过程中在不同阶段对应的驱动电流调节的目的，第一电流为I1，第二电流为I2，I1<I2。
Figure PCTCN2020136429-appb-000001
表1
需要说明的是，在控制信号输入端接收的用于关断功率开关的控制信号控制下，检测模块停止传输判定结果，并且此时晶体管导通，该晶体管将用于关断功率开关的控制信号传输至功率开关，功率开关开始放电。
至此，完成上述图4所示的驱动控制流程，通过图4所示的驱动控制流程，可以实现开通损耗与电流过冲折中关系的自动优化。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本发明旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
还需要说明的是，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、商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、商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、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (10)

  1. 一种智能功率模块，其特征在于，所述智能功率模块包括高压集成驱动芯片和功率开关；所述高压集成驱动芯片包括驱动电流调节模块、检测模块和控制信号输入端；
    所述控制信号输入端与所述检测模块的输入端连接；
    所述检测模块的输出端与所述驱动电流调节模块的输入端连接；
    所述驱动电流调节模块的输出端与所述功率开关的栅极连接。
  2. 根据权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述检测模块包括：第一检测电路、第二检测电路和结果判定电路；
    所述第一检测电路的第一端与所述功率开关的栅极连接；
    所述第二检测电路的第一端与所述功率开关的漏极或集电极连接；
    所述第一检测电路的第二端和所述第二检测电路的第二端均与所述结果判定电路连接。
  3. 根据权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述驱动电流调节模块包括：第一电流电路、第二电流电路和电流选择电路；
    所述第一电流电路的输出端和所述第二电流电路的输出端均与所述电流选择电路连接；
    其中，所述第一电流电路输出的第一电流小于所述第二电流电路输出的第二电流。
  4. 根据权利要求3所述的智能功率模块，其特征在于，所述高压集成驱动芯片还包括：电压输入端，所述电压输入端分别与所述第一电流电路的输入端和所述第二电流电路的输入端连接。
  5. 根据权利要求4所述的智能功率模块，其特征在于，所述电压输入端还与所述智能功率模块外接的可调电阻连接；
    所述可调电阻用于调节所述电压输入端的输入电压大小。
  6. 根据权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述高压集成驱动芯片还包括：晶体管；
    所述晶体管的栅极与所述控制信号输入端连接；
    所述晶体管的漏极与所述功率开关的栅极连接。
  7. 一种驱动控制方法，其特征在于，所述方法应用于如上述权利要求1-6任一项所述的智能功率模块，所述方法包括：
    检测模块获取功率开关的栅极电压和漏极或集电极的电压变化速率，并获得所述栅极电压和所述电压变化速率的判定结果；
    在控制信号输入端接收的用于开通功率开关的控制信号控制下，所述检测模块将所述判定结果传输至驱动电流调节模块；
    所述驱动电流调节模块根据所述判定结果确定向所述功率开关提供的驱动电流。
  8. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，检测模块获取所述功率开关的栅极电压和漏极或集电极的电压变化速率，并获得所述栅极电压和所述电压变化速率的判定结果，包括：
    第一检测电路检测所述功率开关的栅极电压；
    第二检测电路检测所述功率开关的漏极或集电极的电压变化速率；
    结果判定电路将所述栅极电压与第一电压阈值、第二电压阈值、本智能功率模块的电源电压比较，并将所述电压变化速率与速率阈值比较，得到判定结果。
  9. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述驱动电流调节模块根据所述判定结果确定向所述功率开关提供的驱动电流，包括：
    根据所述判定结果为栅极电压未位于第一电压阈值与第二电压阈值之间且所述电 压变化速率小于速率阈值，所述电流选择电路将第一电流电路输出的第一电流和第二电流电路输出的第二电流之和作为驱动电流；
    根据所述判定结果为栅极电压位于第一电压阈值与第二电压阈值之间且所述电压变化速率小于速率阈值，所述电流选择电路将第一电流电路输出的第一电流作为驱动电流；
    根据所述判定结果为栅极电压位于第一电压阈值与第二电压阈值之间且所述电压变化速率大于速率阈值时，所述电流选择电路将第二电流电路输出的第二电流作为驱动电流；
    根据所述判定结果为栅极电压等于所述电源电压，所述电流选择电路将零作为驱动电流。
  10. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
    在控制信号输入端接收的用于开通功率开关的控制信号控制下，晶体管关断；
    在控制信号输入端接收的用于关断功率开关的控制信号控制下，晶体管导通，所述晶体管将所述用于关断功率开关的控制信号传输至所述功率开关，所述功率开关开始放电。
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