一種具有軟關斷功能的智能功率模塊的製作方法
2023-05-20 08:30:01
專利名稱：一種具有軟關斷功能的智能功率模塊的製作方法
技術領域：
本發明涉及智能功率模塊，尤其是涉及一種具有軟關斷功能的智能功率模塊。
背景技術：
智能功率模塊(IntelligentPower Module, IPM)是以 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型電晶體)為內核的先進混合集成功率部件，其由高速低功耗管芯IGBT、門極驅動電路和快速保護電路構成，快速保護電路包括有軟關斷電路等。 IPM內的IGBT管芯都選用高速型的，而且驅動電路緊靠IGBT，驅動延時小，所以IPM開關速度快，損耗小。IPM內部集成了能連續檢測IGBT電流和溫度的實時檢測電路，當發生嚴重過載甚至直接短路時，以及溫度過熱時，快速保護電路的軟關斷電路工作，IGBT將被有控制地軟關斷，同時發出故障信號。現有智能功率模塊的軟關斷通常採用固定電阻放電的軟關斷保護電路，智能功率模塊的電路圖如圖3所示。IGBT T 『的集電極C接高壓V+，同時，高壓V+連接到二極體 D 『的陰極K，二極體D'的陽極A連接到控制邏輯電路的電壓採樣檢測端VS。，控制邏輯電路的開啟脈衝輸出端on與第一場效應管Ml 『的柵極相連，第一場效應管Ml 『的漏極與MV的電源VCC'相連，第一場效應管Ml'的源極與第一電阻Rl'串聯後連接到IGBT T 『的門極。控制邏輯電路的關閉脈衝輸出端off與第二場效應管M2 『的柵極相連，第二場效應管M2'的漏極與第二電阻R2'串聯後連接到IGBT T'的門極，第二場效應管M2 『 的源極接地。控制邏輯電路的軟關斷輸出控制端softoff與第三場效應管M3 『的柵極相連，第三場效應管M3'的漏極與第三電阻R3'串聯後連接到IGBT T 『的門極，第三場效應管M3'的源極接地。控制邏輯電路的波形輸入端PW接收從外部輸入的波形，並經過變換後從開啟脈衝輸出端on、關閉脈衝輸出端off和軟關斷輸出控制端softoff輸出。其中， 第一電阻Rl'和第二電阻R2'均為4Ω較小，用於硬關斷，第三電阻R3 『為20 Ω較大， 用於軟關斷。其中，第一場效應管Ml'、第二場效應管Μ2'、第一電阻Rl'和第二電阻R2' 構成門極驅動電路，第三場效應管M3'和電阻R3'構成軟關斷電路，二極體D'構成電壓採樣檢測電路，控制邏輯電路用於產生控制門極驅動電路和軟關斷電路的脈衝波形。該技術通過在軟關斷輸出控制端softoff輸出脈衝控制第三場效應管M3丨導通，採用固定電阻放電來將IGBT T'的門極電位拉到低電平，使IGBT T'關斷。但是，該種方法存在一定的缺陷第一、關斷的延時過長；第二、模塊電壓有產生尖峰脈衝的隱患，造成模塊由於過壓而損壞。因此，如何設計出能保證在較短的時間裡，實現更安全的軟關斷，而且低成本的電路是業界內有待解決的技術問題。
發明內容
本發明為了解決現有技術智能功率模塊的軟關斷通常採用固定電阻放電的軟關斷保護電路，導致關斷的延時過長和智能功率模塊電壓易產生尖峰脈衝造成過壓而損壞的技術問題，提供了一種具有軟關斷功能的智能功率模塊。為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案為設計一種具有軟關斷功能的智能功率模塊，包括IGBT、用於控制IGBT的門極驅動電路、用於關斷IGBT的軟關斷電路和用於控制所述門極驅動電路和軟關斷電路的控制邏輯電路，所述控制邏輯電路、門極驅動電路和IGBT依次連接，所述軟關斷電路連接在所述控制邏輯電路和IGBT之間，且所述軟關斷電路與所述門極驅動電路並聯，所述控制邏輯電路具有軟關斷輸出控制端，所述軟關斷電路包括
開關場效應管，其柵極與所述軟關斷輸出控制端相連，漏極與電源相連； 放電場效應管，其漏極與所述IGBT的門極相連，源極接地； 電容，其一端與所述開關場效應管的源極相連，另一端接地； 開關，其輸入端與所述開關場效應管的源極相連； 恆流源，其輸入端與所述開關的輸出端相連，輸出端接地；
運算放大器，其反相輸入端與所述開關場效應管的源極相連，同相輸入端與所述IGBT 的門極相連，輸出端與所述放電場效應管的柵極相連；
比較器，其同相輸入端與所述放電場效應管的柵極相連，反相輸入端與參考電壓相連， 輸出端與開關的控制端相連。所述控制邏輯電路還具有開啟脈衝輸出端和關閉脈衝輸出端，所述門極驅動電路包括
第一場效應管，其柵極與所述控制邏輯電路的開啟脈衝輸出端相連，漏極與電源相
連；
第一電阻，其一端與所述第一場效應管的源極相連，另一端與所述IGBT的門極相連； 第二場效應管，其柵極與所述控制邏輯電路的關閉脈衝輸出端相連，源極接地； 第二電阻，其一端與所述第二場效應管的漏極相連，另一端與所述IGBT的門極相連。所述具有軟關斷功能的智能功率模塊還包括電壓採樣檢測電路，所述控制邏輯電路還具有一電壓採樣檢測端，所述電壓採樣檢測電路包括二極體，其陰極與所述IGBT的集電極相連，陽極與所述控制邏輯電路的電壓採樣檢測端相連。本發明通過設置開關場效應管、放電場效應管、電容、開關、比較器、運算放大器和恆流源，使得正常工作的時候，電容已經充滿電，當控制邏輯電路輸出高電平的時候，開關場效應管關斷，此時運算放大器的反相輸入端的電壓為高，開關處於閉合狀態，電容通過恆流源進行線性放電，使得運算放大器的反相輸入端處的電壓呈線性變化，放電場效應管的漏極端的電壓也呈線性變化，因此能有效地控制IGBT門極的關斷速度。當放電場效應管柵極的電壓達到參考電壓時，說明放電場效應管驅動能力不足，IGBT進入米勒平臺期。比較器輸出的電平翻轉變為高電平，開關斷開，電容停止放電，放電場效應管繼續大電流放電， 迅速結束米勒平臺，之後，放電場效應管柵極電壓掉落參考電壓以下，開關接通，電容繼續線性放電，IGBT門極電壓線性下降，IGBT集電極電流近似線性減小。縮短了 IGBT關斷時的米勒效應時間平臺，加長了放電時間，避免了 IGBT集電極高壓的產生，實現了具有安全保障的軟關斷保護。
下面結合實施例和附圖對本發明進行詳細說明，其中 圖1是本發明具有軟關斷功能的智能功率模塊的電路圖2是本發明具有軟關斷功能的智能功率模塊與現有技術的波形對比圖； 圖3是現有技術智能功率模塊的電路圖。
具體實施例方式請參見圖1。本發明具有軟關斷功能的智能功率模塊，包括IGBT、用於控制IGBT 的門極驅動電路、用於關斷IGBT的軟關斷電路、用於控制所述門極驅動電路和軟關斷電路的控制邏輯電路和用於檢測IGBT集電極電流是否過大的電壓採樣檢測電路，所述控制邏輯電路、門極驅動電路和IGBT依次連接，所述軟關斷電路連接在所述控制邏輯電路和IGBT 之間，且所述軟關斷電路與所述門極驅動電路並聯。其中
控制邏輯電路用於產生控制門極驅動電路和軟關斷電路的脈衝波形，其具有軟關斷輸出控制端softoff、電壓採樣檢測端VSQC、開啟脈衝輸出端on、關閉脈衝輸出端off和外部脈衝接收端PW。控制邏輯電路的波形輸入端PW接收外部脈衝並經過轉換後轉換成用於控制門極驅動電路和軟關斷電路的脈衝，同時，控制邏輯電路還與電壓採樣檢測電路連接，以接收電壓採樣檢測電路送來的檢測信號，並當檢測到IGBT集電極電流過大時輸出脈衝至軟關斷輸出控制端，控制軟關斷電路工作，軟關斷IGBT。控制邏輯電路可採用單片機，也可以採用其他觸發電路等。門極驅動電路包括第一場效應管Ml、第二場效應管M2、第一電阻Rl和第二電阻 R2。電壓採樣檢測電路包括二極體D。軟關斷電路包括開關場效應管M4、放電場效應管M3、 電容C、開關B、恆流源H、運算放大器OPA和比較器comp。IGBT T的集電極C接高壓V+，同時，高壓V+連接到二極體D的陰極K，二極體D的陽極A連接到控制邏輯電路的電壓採樣檢測端VS。，控制邏輯電路的開啟脈衝輸出端on與第一場效應管Ml的柵極相連，第一場效應管Ml的漏極與24V的電源VCC相連，第一場效應管Ml的源極與第一電阻Rl串聯後連接到IGBT T的門極。控制邏輯電路的關閉脈衝輸出端off與第二場效應管M2的柵極相連，第二場效應管M2的漏極與第二電阻R2串聯後連接到IGBT T的門極，第二場效應管M2的源極接地。控制邏輯電路的波形輸入端PW接收從外部輸入的波形，並經過變換後從開啟脈衝輸出端on、關閉脈衝輸出端off和軟關斷輸出控制端softoff輸出。其中，第一電阻Rl'和第二電阻R2'均為4Ω，較小。開關場效應管M4的柵極與軟關斷輸出控制端softoff相連，漏極與電源VCC相連，源極與電容C、運算放大器OPA的反相輸入端和開關B相連。電容C的一端與所述開關場效應管的源極相連，另一端接地。開關B的輸入端與開關場效應管M4的源極相連，輸出端與恆流源H的輸入端相連，控制端與比較器comp的輸出端相連。放電場效應管M3的漏極與所IGBT T的門極相連，源極接地，柵極與運算放大器OPA的輸出端相連。恆流源H的輸入端與開關B的輸出端相連，輸出端接地。運算放大器OPA的反相輸入端與開關場效應管 M4的源極相連，同相輸入端與IGBT T的門極相連，輸出端與放電場效應管M3的柵極相連。 比較器comp的同相輸入端與放電場效應管M3的柵極相連，反相輸入端與參考電壓VREF相連，輸出端與開關B的控制端相連。
請一併參見圖2和圖3。在圖3中，PW表示PW端的脈衝波形，on表示開啟脈衝輸出端on端的脈衝波形，off表示關閉脈衝輸出端off端的脈衝波形，softoff表示軟關斷輸出控制端softoff端的脈衝波形，Vcap表示電容C的電壓，Vg表示IGBT門極電壓，Ve表示 IGBT集電極電壓，Ic表示IGBT集電極電流。Ng'表示現有技術IGBT門極電壓，Nc'表示現有技術IGBT集電極電壓，IJ表示現有技術IGBT集電極電流。At表示本發明IGBT米勒平臺時間，Δ tl表示現有技術IGBT米勒平臺時間。Δ t2表示本發明IGBT結束米勒平臺後的放電時間，Δ t3表示現有技術IGBT結束米勒平臺後的放電時間。本發明具有軟關斷功能的智能功率模塊的工作原理如下
正常工作情況下，控制邏輯電路的軟關斷輸出控制端softoff為低電平，開關場效應管M4導通，對電容C進行充電，放電場效應管M3處於關斷狀態，軟關斷電路不工作，門極驅動電路正常工作。即當控制邏輯電路的開啟脈衝輸出端on、關閉脈衝輸出端off為低電平時，第一場效應管Ml導通，第二場效應管M2關斷，Ve電位拉高，IGBT T就開啟導通了，當 0n、0ff端由低電平變為高電平時，第一場效應管Ml關斷，第二場效應管M2導通，Ve電位拉低，IGBT T關斷，這種關斷屬於正常的硬關斷。當IC電流過大，超過智能功率模塊的保護值時，通過控制邏輯電路的電壓採樣檢測端Vsre分析，控制邏輯電路進行邏輯處理，軟關斷輸出控制端softoff變為高電平，開關場效應管M4關斷，on端變為高電平，第一場效應管Ml關斷，of f端為低電平，第二場效應管 M2關斷，智能功率模塊進入軟關斷保護狀態，驅動電路關斷不工作。由於正常工作的時候，開關場效應管M4導通，對電容C進行充電，電容C已經充滿電，當softoff端變為高電平的時候，開關場效應管M4關斷，此時Vfflp處的電壓為高，開關 B處於閉合狀態，電容C通過恆流源H進行線性放電，使得Vcap處的電壓呈線性變化，soft 端的電壓\也呈線性變化，因此能有效地控制IGBT T的門極的關斷速度。當放電場效應管M3柵極的電壓達到VREF參考電壓時，說明放電場效應管M3驅動能力不足，IGBT T進入米勒平臺期。比較器comp輸出的電平翻轉變為高電平「1」，開關B斷開，電容C停止放電。放電場效應管M3繼續大電流放電，迅速結束米勒平臺，之後，放電場效應管M3柵極電壓掉落VREF以下，比較器comp輸出的電平翻轉變為低電平「0」，開關B接通，電容C繼續線性放電，IGBT門極電壓線性下降，IGBT集電極電流近似線性減小。顯然，同現有技術相比， Δ t Δ t3。由於縮短了 IGBT關斷時的米勒平臺時間Δ t，加長了米勒平臺後的放電時間At2，從而減小di/dt，避免了 IGBT集電極高壓的產生，實現了最具有安全保障的軟關斷保護。以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種具有軟關斷功能的智能功率模塊，包括IGBT、用於控制IGBT的門極驅動電路、 用於關斷IGBT的軟關斷電路和用於控制所述門極驅動電路和軟關斷電路的控制邏輯電路，所述控制邏輯電路、門極驅動電路和IGBT依次連接，所述軟關斷電路連接在所述控制邏輯電路和IGBT之間，且所述軟關斷電路與所述門極驅動電路並聯，所述控制邏輯電路具有軟關斷輸出控制端，其特徵在於所述軟關斷電路包括開關場效應管，其柵極與所述軟關斷輸出控制端相連，漏極與電源相連； 放電場效應管，其漏極與所述IGBT的門極相連，源極接地； 電容，其一端與所述開關場效應管的源極相連，另一端接地； 開關，其輸入端與所述開關場效應管的源極相連； 恆流源，其輸入端與所述開關的輸出端相連，輸出端接地；運算放大器，其反相輸入端與所述開關場效應管的源極相連，同相輸入端與所述IGBT 的門極相連，輸出端與所述放電場效應管的柵極相連；比較器，其同相輸入端與所述放電場效應管的柵極相連，反相輸入端與參考電壓相連， 輸出端與開關的控制端相連。
2.根據權利要求1所述的具有軟關斷功能的智能功率模塊，其特徵在於所述控制邏輯電路還具有開啟脈衝輸出端和關閉脈衝輸出端，所述門極驅動電路包括第一場效應管，其柵極與所述控制邏輯電路的開啟脈衝輸出端相連，漏極與電源相連；第一電阻，其一端與所述第一場效應管的源極相連，另一端與所述IGBT的門極相連； 第二場效應管，其柵極與所述控制邏輯電路的關閉脈衝輸出端相連，源極接地； 第二電阻，其一端與所述第二場效應管的漏極相連，另一端與所述IGBT的門極相連。
3.根據權利要求1所述的具有軟關斷功能的智能功率模塊，其特徵在於所述具有軟關斷功能的智能功率模塊還包括電壓採樣檢測電路，所述控制邏輯電路還具有一電壓採樣檢測端，所述電壓採樣檢測電路包括二極體，其陰極與所述IGBT的集電極相連，陽極與所述控制邏輯電路的電壓採樣檢測端相連。
全文摘要
本發明公開了一種具有軟關斷功能的智能功率模塊，包括IGBT、門極驅動電路、軟關斷電路和控制邏輯電路，所述軟關斷電路包括開關場效應管；放電場效應管；電容，其一端與所述開關場效應管的源極相連，另一端接地；開關，其輸入端與所述開關場效應管的源極相連；恆流源，其輸入端與所述開關的輸出端相連，輸出端接地；運算放大器，其反相輸入端與所述開關場效應管的源極相連，同相輸入端與所述IGBT的門極相連，輸出端與所述放電場效應管的柵極相連；比較器，其同相輸入端與所述放電場效應管的柵極相連，反相輸入端與參考電壓相連，輸出端與開關的控制端相連。本發明可用於智能功率模塊。
文檔編號H02M1/36GK102315763SQ201110264858
公開日2012年1月11日 申請日期2011年9月8日 優先權日2011年9月8日
發明者周衛國 申請人:周衛國