智能功率模塊和空調器的製造方法與工藝

2023-05-23 02:11:56

本發明涉及智能功率模塊技術領域，具體而言，涉及一種智能功率模塊和一種空調器。

背景技術：
智能功率模塊(IntelligentPowerModule，簡稱IPM)是一種將電力電子分立器件和集成電路技術集成在一起的功率驅動器，智能功率模塊包含功率開關器件和高壓驅動電路，並帶有過電壓、過電流和過熱等故障檢測電路。智能功率模塊的邏輯輸入端接收主控制器的控制信號，輸出端驅動壓縮機或後續電路工作，同時將檢測到的系統狀態信號送回主控制器。相對於傳統分立方案，智能功率模塊具有高集成度、高可靠性、自檢和保護電路等優勢，尤其適合於驅動電機的變頻器及各種逆變電源，是變頻調速、冶金機械、電力牽引、伺服驅動、變頻家電的理想電力電子器件。現有的智能功率模塊電路的結構如圖1所示，MTRIP埠作為電流檢測端，以根據檢測到的電流大小對智能功率模塊100進行保護。PFCIN埠作為智能功率模塊的PFC(PowerFactorCorrection，功率因數校正)控制輸入端。在智能功率模塊工作過程中，PFCINP端按一定的頻率在高低電平間頻繁切換，使IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor，絕緣柵雙極型電晶體)管127持續處於開關狀態而FRD管131持續處於續流狀態，該頻率一般為LIN1～LIN3、HIN1～HIN3開關頻率的2～4倍，並且與LIN1～LIN3、HIN1～HIN3的開關頻率沒有直接聯繫。如圖2所示，UN、VN、WN接毫歐電阻138的一端，毫歐電阻138的另一端接GND，MTRIP是電流檢測引腳，接毫歐電阻138的一端，通過檢測毫歐電阻的壓降測算電流，如圖3所示，當電流過大時，使智能功率模塊100停止工作，避免因過流產生過熱後，對智能功率模塊100產生永久性損壞。-VP、COM、UN、VN、WN在實際使用中有電連接關係。因此，IGBT管121～IGBT管127開關時的電壓噪聲以及FRD(FastRecoveryDiode，快恢復二極體)管111～FRD管116、FRD管131續流時的電流噪聲都會相互耦合，對各低電壓區的輸入引腳造成影響。在各輸入引腳中，HIN1～HIN3、LIN1～LIN3、PFCINP的閾值一般在2.3V左右，而ITRIP的閾值電壓一般只有0.5V以下，因此，ITRIP是最容易受到幹擾的引腳。當ITRIP受到觸發，智能功率模塊100就會停止工作，而因為此時並未真正發生過流，所以ITRIP此時的觸發屬於誤觸發。如圖4所示，在PFCIN為高電平，IGBT管127開通瞬間時，因為FRD管131的反向恢復電流的存在，疊加出I131的電流波形，該電流有較大的震蕩噪聲，通過-VP、COM、UN、VN、WN在外圍電路中的電連接，震蕩噪聲在MTRIP端會藕合出一定的電壓抬高。設使MTRIP觸發的條件為：電壓>Vth，且持續時間>Tth；在圖4中，設Ta<Tth<Tb，則在前三個周期的電壓太高不足以使MTRIP產生誤觸發，到第四個周期，MTRIP將產生誤觸發。事實上，FRD管的反向恢復時間、反向恢復電流與IGBT管的開通時間是有關聯的，IGBT管的開關速度越快，FRD管的反向恢復時間越長、反向恢復電流越大。一般地，PFC的開關頻率固定，且頻率在20kHz～40kHz之間，對於這種應用場合，IGBT管一般會選擇開關速度較快的類型，減小開關損耗，並且智能功率模塊一般工作在高溫下，溫度越高，IGBT管的開關速度越慢，從而使人們更傾向於選擇開關速度快的IGBT管。因為FRD管的反向恢復時間和反向恢復電流是正溫度係數，溫度越高，反向恢復時間越長，因此隨著系統的持續工作，智能功率模塊100的溫度持續上升，雖然IGBT管的開關速度有所變慢，但因為IGBT管本身的開關速度就很快，FRD管的反向恢復時間因時間增大的影響更大，使MTRIP被觸發的機率越來越大。如圖5所示，在25℃下，FRD的反向恢復效應引起的電壓波動不足以引起MTRIP觸發，而隨著溫度升高，在75℃時，MTRIP被觸發，使系統停止工作。雖然這種誤觸發在一段時間後會恢復而不會對系統形成破壞，但無疑會對用戶造成困擾。如對於變頻空調器的應用場合，環境溫度越高正是用戶越需要空調系統持續工作的時候，但高的環境溫度會使FRD管的反向恢復時間增長，MTRIP受誤觸發的機率提高，一旦MTRIP被誤觸發，空調系統會因誤認為發生過流而停止工作3～5分鐘，使用戶在這段時間內無法獲得冷風，這是造成空調系統因製冷能力不足受客戶投訴的主要原因之一。因此，如何能夠確保智能功率模塊在常溫下低功耗正常工作的前提下，有效降低智能功率模塊在高溫下被誤觸發的機率成為亟待解決的技術問題。

技術實現要素：
本發明旨在至少解決現有技術或相關技術中存在的技術問題之一。為此，本發明的一個目的在於提出了一種新的智能功率模塊，能夠確保智能功率模塊在常溫下低功耗正常工作的前提下，有效降低智能功率模塊在高溫下被誤觸發的機率。本發明的另一個目的在於提出了一種具有該智能功率模塊的空調器。為實現上述目的，根據本發明的第一方面的實施例，提出了一種智能功率模塊，包括：三相上橋臂信號輸入端、三相下橋臂信號輸入端、三相低電壓參考端、電流檢測端、PFC端和PFC低電壓參考端；HVIC(HighVoltageIntegratedCircuit，高壓集成電路)管，所述HVIC管上設置有分別連接至所述三相上橋臂信號輸入端和所述三相下橋臂信號輸入端的接線端，以及連接至所述電流檢測端的第一埠，所述HVIC管上還設置有PFC驅動電路的信號輸出端；自適應電路，所述自適應電路的輸入端連接至所述第一埠，所述自適應電路的第一輸出端作為所述HVIC管的使能端；PFC開關電路，所述PFC開關電路的第一輸入輸出端、第二輸入輸出端、第三輸入輸出端和第四輸入輸出端分別對應連接至所述PFC驅動電路的信號輸出端、所述PFC低電壓參考端、所述PFC端和所述自適應電路的第二輸出端；其中，所述PFC開關電路根據其第四輸入輸出端輸入的電平信號，實現具有第一開關速度和第一飽和壓降的功率開關管的功能，或實現具有第二開關速度和第二飽和壓降的功率開關管的功能，所述第一開關速度大於所述第二開關速度，所述第一飽和壓降大於所述第二飽和壓降；所述自適應電路在所述智能功率模塊的溫度低於預定溫度值時，通過其第二輸出端輸出第一電平的信號，並根據其輸入端的輸入信號的值與第一設定值之間的大小關係通過其第一輸出端輸出相應電平的使能信號；所述自適應電路在所述智能功率模塊的溫度高於所述預定溫度值時，通過其第二輸出端輸出第二電平的信號，並根據其輸入端的輸入信號的值與第二設定值之間的大小關係通過其第一輸出端輸出相應電平的使能信號，所述第二設定值大於所述第一設定值。根據本發明的實施例的智能功率模塊，在智能功率模塊的溫度低於預定溫度值時，通過根據自適應電路的輸入端(即第一埠，也即電流檢測端)的輸入信號的值和第一設定值之間的大小關係輸出相應電平的使能信號，使得在智能功率模塊的溫度較低時，自適應電路能夠根據電流檢測端檢測到的信號值來做出反應，即電流檢測端檢測到的信號值較大時，及時輸出控制HVIC管停止工作的使能信號，電流檢測端檢測到的信號值較小時，輸出控制HVIC管工作的使能信號，以確保智能功率模塊在常溫(即低於預定溫度值時)下能夠正常工作，並進行過流保護。在智能功率模塊的溫度高於預定溫度值時，通過根據自適應電路的輸入端的輸入信號的值和第二設定值之間的大小關係輸出相應電平的使能信號，使得在智能功率模塊的溫度較高時，能夠通過較大的第二設定值(相比於第一設定值)作為標準來確定是否輸出控制HVIC管停止工作的使能信號，進而能夠有效降低智能功率模塊在高溫下工作時被誤觸發的機率。PFC開關電路通過根據其第四輸入輸出端輸入的電平信號，實現不同功能的功率開關管，使得在智能功率模塊的溫度低於預定溫度值時，PFC開關電路能夠實現開關速度較快且飽和壓降較高的功率開關管，以獲得更低的動態功耗；同時可以在智能功率模塊的溫度高於預定溫度值時，PFC開關電路能夠實現開關速度較慢且飽和壓降較低的功率開關管，以獲得更低的靜態功耗並且進一步降低了電路噪聲，進而降低了智能功率模塊在高溫下工作時被誤觸發的機率。根據本發明的上述實施例的智能功率模塊，還可以具有以下技術特徵：根據本發明的一個實施例，還包括：採樣電阻，所述三相低電壓參考端和所述電流檢測端均連接至所述採樣電阻的第一端，所述採樣電阻的第二端連接至所述智能功率模塊的低壓區供電電源負端。根據本發明的一個實施例，所述自適應電路在所述智能功率模塊的溫度低於所述預定溫度值時，若其輸入端的輸入信號的值大於或等於所述第一設定值，則通過其第一輸出端輸出所述第一電平的使能信號，以禁止所述HVIC管工作；否則，通過其第一輸出端輸出所述第二電平的使能信號，以允許所述HVIC管工作；所述自適應電路在所述智能功率模塊的溫度高於所述預定溫度值時，若其輸入端的輸入信號的值大於或等於所述第二設定值，則通過其第一輸出端輸出所述第一電平的使能信號；否則，通過其第一輸出端輸出所述第二電平的使能信號。根據本發明的一個實施例，所述自適應電路包括：第一電阻，所述第一電阻的第一端連接至所述自適應電路的供電電源正極，所述第一電阻的第二端連接至穩壓二極體的陰極，所述穩壓二極體的陽極連接至所述自適應電路的供電電源負極，所述自適應電路的供電電源正極和負極分別連接至所述智能功率模塊的低壓區供電電源正端和負端；第二電阻，所述第二電阻的第一端連接至所述第一電阻的第二端，所述第二電阻的第二端連接至第一電壓比較器的正輸入端；熱敏電阻，所述熱敏電阻的第一端連接至所述第二電阻的第二端，所述熱敏電阻的第二端連接至所述穩壓二極體的陽極；第一電壓源，所述第一電壓源的負極連接至所述穩壓二極體的陽極，所述第一電壓源的正極連接至所述第一電壓比較器的負輸入端，所述第一電壓比較器的輸出端連接至第一非門的輸入端，所述第一非門的輸出端連接至第二非門的輸入端，所述第二非門的輸出端作為所述自適應電路的第二輸出端。根據本發明的一個實施例，所述自適應電路還包括：第一模擬開關，所述第一模擬開關的控制端連接至所述第二非門的輸出端；第二電壓比較器，所述第二電壓比較器的正輸入端作為所述自適應電路的輸入端，所述第二電壓比較器的負輸入端連接至第二電壓源的正極，所述第二電壓源的負極連接至所述自適應電路的供電電源負極，所述第二電壓比較器的輸出端連接至所述第一模擬開關的第一選擇端和第一與非門的第一輸入端；第三電壓比較器，所述第三電壓比較器的正輸入端連接至所述第二電壓比較器的正輸入端，所述第三電壓比較器的負輸入端連接至第三電壓源的正極，所述第三電壓源的負極連接至所述自適應電路的供電電源負極，所述第三電壓比較器的輸出端連接至所述第一與非門的第二輸入端，所述第一與非門的輸出端連接至第三非門的輸入端，所述第三非門的輸出端連接至所述第一模擬開關的第二選擇端，所述第一模擬開關的固定端連接至第四非門的輸入端，所述第四非門的輸出端作為所述自適應電路的第一輸出端。根據本發明的一個實施例，所述PFC開關電路在其第四輸入輸出端輸入所述第一電平的信號時，實現具有所述第一開關速度和所述第一飽和壓降的功率開關管的功能；所述PFC開關電路在其第四輸入輸出端輸入所述第二電平的信號時，實現具有所述第二開關速度和所述第二飽和壓降的功率開關管的功能。根據本發明的一個實施例，所述PFC開關電路包括：第二模擬開關，所述第二模擬開關的固定端作為所述PFC開關電路的第三輸入輸出端，所述第二模擬開關的第一選擇端連接至第一功率開關管的集電極，所述第二模擬開關的第二選擇端連接至第二功率開關管的集電極；第三模擬開關，所述第三模擬開關的固定端作為所述PFC開關電路的第二輸入輸出端，所述第三模擬開關的第一選擇端連接至所述第一功率開關管的發射極，所述第三模擬開關的第二選擇端連接至所述第二功率開關管的發射極；其中，所述第三模擬開關的控制端與所述第二模擬開關的控制端相連，並作為所述PFC開關電路的第四輸入輸出端；所述第一功率開關管的柵極和所述第二功率開關管的柵極相連，並作為所述PFC開關電路的第一輸入輸出端。其中，第一功率開關管和第二功率開關管可以是IGBT。根據本發明的一個實施例，還包括：自舉電路，所述自舉電路包括：第一自舉二極體，所述第一自舉二極體的陽極連接至所述智能功率模塊的低壓區供電電源正端，所述第一自舉二極體的陰極連接至所述智能功率模塊的U相高壓區供電電源正端；第二自舉二極體，所述第二自舉二極體的陽極連接至所述智能功率模塊的低壓區供電電源正端，所述第二自舉二極體的陰極連接至所述智能功率模塊的V相高壓區供電電源正端；第三自舉二極體，所述第三自舉二極體的陽極連接至所述智能功率模塊的低壓區供電電源正端，所述第三自舉二極體的陰極連接至所述智能功率模塊的W相高壓區供電電源正端。根據本發明的一個實施例，還包括：三相上橋臂電路，所述三相上橋臂電路中的每一相上橋臂電路的輸入端連接至所述HVIC管的三相高壓區中對應相的信號輸出端；三相下橋臂電路，所述三相下橋臂電路中的每一相下橋臂電路的輸入端連接至所述HVIC管的三相低壓區中對應相的信號輸出端。其中，三相上橋臂電路包括：U相上橋臂電路、V相上橋臂電路、W相上橋臂電路；三相下橋臂電路包括：U相下橋臂電路、V相下橋臂電路、W相下橋臂電路。根據本發明的一個實施例，所述每一相上橋臂電路包括：第三功率開關管和第一二極體，所述第一二極體的陽極連接至所述第三功率開關管的發射極，所述第一二極體的陰極連接至所述第三功率開關管的集電極，所述第三功率開關管的集電極連接至所述智能功率模塊的高電壓輸入端，所述第三功率開關管的基極作為所述每一相上橋臂電路的輸入端，所述第三功率開關管的發射極連接至所述智能功率模塊對應相的高壓區供電電源負端。其中，第三功率開關管可以是IGBT。根據本發明的一個實施例，所述每一相下橋臂電路包括：第四功率開關管和第二二極體，所述第二二極體的陽極連接至所述第四功率開關管的發射極，所述第二二極體的陰極連接至所述第四功率開關管的集電極，所述第四功率開關管的集電極連接至對應的上橋臂電路中的所述第一二極體的陽極，所述第四功率開關管的基極作為所述每一相下橋臂電路的輸入端，所述第四功率開關管的發射極作為所述智能功率模塊的對應相的低電壓參考端。其中，第四功率開關管可以是IGBT。根據本發明的...