專利名稱：一種具有軟關(guān)斷功能的智能功率模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及智能功率模塊，尤其是涉及一種具有軟關(guān)斷功能的智能功率模塊。
背景技術(shù)：
智能功率模塊(IntelligentPower Module, IPM)是以 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管)為內(nèi)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(qū)動電路和快速保護電路構(gòu)成，快速保護電路包括有軟關(guān)斷電路等。 IPM內(nèi)的IGBT管芯都選用高速型的，而且驅(qū)動電路緊靠IGBT，驅(qū)動延時小，所以IPM開關(guān)速度快，損耗小。IPM內(nèi)部集成了能連續(xù)檢測IGBT電流和溫度的實時檢測電路，當發(fā)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(guān)斷電路工作，IGBT將被有控制地軟關(guān)斷，同時發(fā)出故障信號?，F(xiàn)有智能功率模塊的軟關(guān)斷通常采用固定電阻放電的軟關(guān)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+連接到二極管 D ‘的陰極K，二極管D'的陽極A連接到控制邏輯電路的電壓采樣檢測端VS()。，控制邏輯電路的開啟脈沖輸出端on與第一場效應(yīng)管Ml ‘的柵極相連，第一場效應(yīng)管Ml ‘的漏極與MV的電源VCC'相連，第一場效應(yīng)管Ml'的源極與第一電阻Rl'串聯(lián)后連接到IGBT T ‘的門極?？刂七壿嬰娐返年P(guān)閉脈沖輸出端off與第二場效應(yīng)管M2 ‘的柵極相連，第二場效應(yīng)管M2'的漏極與第二電阻R2'串聯(lián)后連接到IGBT T'的門極，第二場效應(yīng)管M2 ‘ 的源極接地?？刂七壿嬰娐返能涥P(guān)斷輸出控制端softoff與第三場效應(yīng)管M3 ‘的柵極相連，第三場效應(yīng)管M3'的漏極與第三電阻R3'串聯(lián)后連接到IGBT T ‘的門極，第三場效應(yīng)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，并經(jīng)過變換后從開啟脈沖輸出端on、關(guān)閉脈沖輸出端off和軟關(guān)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，用于硬關(guān)斷，第三電阻R3 ‘為20 Ω較大， 用于軟關(guān)斷。其中，第一場效應(yīng)管Ml'、第二場效應(yīng)管Μ2'、第一電阻Rl'和第二電阻R2' 構(gòu)成門極驅(qū)動電路，第三場效應(yīng)管M3'和電阻R3'構(gòu)成軟關(guān)斷電路，二極管D'構(gòu)成電壓采樣檢測電路，控制邏輯電路用于產(chǎn)生控制門極驅(qū)動電路和軟關(guān)斷電路的脈沖波形。該技術(shù)通過在軟關(guān)斷輸出控制端softoff輸出脈沖控制第三場效應(yīng)管M3丨導(dǎo)通，采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(guān)斷。但是，該種方法存在一定的缺陷第一、關(guān)斷的延時過長；第二、模塊電壓有產(chǎn)生尖峰脈沖的隱患，造成模塊由于過壓而損壞。因此，如何設(shè)計出能保證在較短的時間里，實現(xiàn)更安全的軟關(guān)斷，而且低成本的電路是業(yè)界內(nèi)有待解決的技術(shù)問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)智能功率模塊的軟關(guān)斷通常采用固定電阻放電的軟關(guān)斷保護電路，導(dǎo)致關(guān)斷的延時過長和智能功率模塊電壓易產(chǎn)生尖峰脈沖造成過壓而損壞的技術(shù)問題，提供了一種具有軟關(guān)斷功能的智能功率模塊。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為設(shè)計一種具有軟關(guān)斷功能的智能功率模塊，包括IGBT、用于控制IGBT的門極驅(qū)動電路、用于關(guān)斷IGBT的軟關(guān)斷電路和用于控制所述門極驅(qū)動電路和軟關(guān)斷電路的控制邏輯電路，所述控制邏輯電路、門極驅(qū)動電路和IGBT依次連接，所述軟關(guān)斷電路連接在所述控制邏輯電路和IGBT之間，且所述軟關(guān)斷電路與所述門極驅(qū)動電路并聯(lián)，所述控制邏輯電路具有軟關(guān)斷輸出控制端，所述軟關(guān)斷電路包括
開關(guān)場效應(yīng)管，其柵極與所述軟關(guān)斷輸出控制端相連，漏極與電源相連； 放電場效應(yīng)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(guān)場效應(yīng)管的源極相連，另一端接地； 開關(guān)，其輸入端與所述開關(guān)場效應(yīng)管的源極相連； 恒流源，其輸入端與所述開關(guān)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(guān)場效應(yīng)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(yīng)管的柵極相連；
比較器，其同相輸入端與所述放電場效應(yīng)管的柵極相連，反相輸入端與參考電壓相連， 輸出端與開關(guān)的控制端相連。所述控制邏輯電路還具有開啟脈沖輸出端和關(guān)閉脈沖輸出端，所述門極驅(qū)動電路包括
第一場效應(yīng)管，其柵極與所述控制邏輯電路的開啟脈沖輸出端相連，漏極與電源相
連；
第一電阻，其一端與所述第一場效應(yīng)管的源極相連，另一端與所述IGBT的門極相連； 第二場效應(yīng)管，其柵極與所述控制邏輯電路的關(guān)閉脈沖輸出端相連，源極接地； 第二電阻，其一端與所述第二場效應(yīng)管的漏極相連，另一端與所述IGBT的門極相連。所述具有軟關(guān)斷功能的智能功率模塊還包括電壓采樣檢測電路，所述控制邏輯電路還具有一電壓采樣檢測端，所述電壓采樣檢測電路包括二極管，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采樣檢測端相連。本發(fā)明通過設(shè)置開關(guān)場效應(yīng)管、放電場效應(yīng)管、電容、開關(guān)、比較器、運算放大器和恒流源，使得正常工作的時候，電容已經(jīng)充滿電，當控制邏輯電路輸出高電平的時候，開關(guān)場效應(yīng)管關(guān)斷，此時運算放大器的反相輸入端的電壓為高，開關(guān)處于閉合狀態(tài)，電容通過恒流源進行線性放電，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(yīng)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(guān)斷速度。當放電場效應(yīng)管柵極的電壓達到參考電壓時，說明放電場效應(yīng)管驅(qū)動能力不足，IGBT進入米勒平臺期。比較器輸出的電平翻轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖?，開關(guān)斷開，電容停止放電，放電場效應(yīng)管繼續(xù)大電流放電， 迅速結(jié)束米勒平臺，之后，放電場效應(yīng)管柵極電壓掉落參考電壓以下，開關(guān)接通，電容繼續(xù)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?？s短了 IGBT關(guān)斷時的米勒效應(yīng)時間平臺，加長了放電時間，避免了 IGBT集電極高壓的產(chǎn)生，實現(xiàn)了具有安全保障的軟關(guān)斷保護。


下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明進行詳細說明，其中 圖1是本發(fā)明具有軟關(guān)斷功能的智能功率模塊的電路圖2是本發(fā)明具有軟關(guān)斷功能的智能功率模塊與現(xiàn)有技術(shù)的波形對比圖； 圖3是現(xiàn)有技術(shù)智能功率模塊的電路圖。
具體實施例方式請參見圖1。本發(fā)明具有軟關(guān)斷功能的智能功率模塊，包括IGBT、用于控制IGBT 的門極驅(qū)動電路、用于關(guān)斷IGBT的軟關(guān)斷電路、用于控制所述門極驅(qū)動電路和軟關(guān)斷電路的控制邏輯電路和用于檢測IGBT集電極電流是否過大的電壓采樣檢測電路，所述控制邏輯電路、門極驅(qū)動電路和IGBT依次連接，所述軟關(guān)斷電路連接在所述控制邏輯電路和IGBT 之間，且所述軟關(guān)斷電路與所述門極驅(qū)動電路并聯(lián)。其中
控制邏輯電路用于產(chǎn)生控制門極驅(qū)動電路和軟關(guān)斷電路的脈沖波形，其具有軟關(guān)斷輸出控制端softoff、電壓采樣檢測端VSQC、開啟脈沖輸出端on、關(guān)閉脈沖輸出端off和外部脈沖接收端PW?？刂七壿嬰娐返牟ㄐ屋斎攵薖W接收外部脈沖并經(jīng)過轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)換成用于控制門極驅(qū)動電路和軟關(guān)斷電路的脈沖，同時，控制邏輯電路還與電壓采樣檢測電路連接，以接收電壓采樣檢測電路送來的檢測信號，并當檢測到IGBT集電極電流過大時輸出脈沖至軟關(guān)斷輸出控制端，控制軟關(guān)斷電路工作，軟關(guān)斷IGBT?？刂七壿嬰娐房刹捎脝纹瑱C，也可以采用其他觸發(fā)電路等。門極驅(qū)動電路包括第一場效應(yīng)管Ml、第二場效應(yīng)管M2、第一電阻Rl和第二電阻 R2。電壓采樣檢測電路包括二極管D。軟關(guān)斷電路包括開關(guān)場效應(yīng)管M4、放電場效應(yīng)管M3、 電容C、開關(guān)B、恒流源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+連接到二極管D的陰極K，二極管D的陽極A連接到控制邏輯電路的電壓采樣檢測端VS()。，控制邏輯電路的開啟脈沖輸出端on與第一場效應(yīng)管Ml的柵極相連，第一場效應(yīng)管Ml的漏極與24V的電源VCC相連，第一場效應(yīng)管Ml的源極與第一電阻Rl串聯(lián)后連接到IGBT T的門極?？刂七壿嬰娐返年P(guān)閉脈沖輸出端off與第二場效應(yīng)管M2的柵極相連，第二場效應(yīng)管M2的漏極與第二電阻R2串聯(lián)后連接到IGBT T的門極，第二場效應(yīng)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，并經(jīng)過變換后從開啟脈沖輸出端on、關(guān)閉脈沖輸出端off和軟關(guān)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(guān)場效應(yīng)管M4的柵極與軟關(guān)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(guān)B相連。電容C的一端與所述開關(guān)場效應(yīng)管的源極相連，另一端接地。開關(guān)B的輸入端與開關(guān)場效應(yīng)管M4的源極相連，輸出端與恒流源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(yīng)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。恒流源H的輸入端與開關(guān)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(guān)場效應(yīng)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(yīng)管M3的柵極相連。 比較器comp的同相輸入端與放電場效應(yīng)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(guān)B的控制端相連。
請一并參見圖2和圖3。在圖3中，PW表示PW端的脈沖波形，on表示開啟脈沖輸出端on端的脈沖波形，off表示關(guān)閉脈沖輸出端off端的脈沖波形，softoff表示軟關(guān)斷輸出控制端softoff端的脈沖波形，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(xiàn)有技術(shù)IGBT門極電壓，Nc'表示現(xiàn)有技術(shù)IGBT集電極電壓，IJ表示現(xiàn)有技術(shù)IGBT集電極電流。At表示本發(fā)明IGBT米勒平臺時間，Δ tl表示現(xiàn)有技術(shù)IGBT米勒平臺時間。Δ t2表示本發(fā)明IGBT結(jié)束米勒平臺后的放電時間，Δ t3表示現(xiàn)有技術(shù)IGBT結(jié)束米勒平臺后的放電時間。本發(fā)明具有軟關(guān)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(guān)斷輸出控制端softoff為低電平，開關(guān)場效應(yīng)管M4導(dǎo)通，對電容C進行充電，放電場效應(yīng)管M3處于關(guān)斷狀態(tài)，軟關(guān)斷電路不工作，門極驅(qū)動電路正常工作。即當控制邏輯電路的開啟脈沖輸出端on、關(guān)閉脈沖輸出端off為低電平時，第一場效應(yīng)管Ml導(dǎo)通，第二場效應(yīng)管M2關(guān)斷，Ve電位拉高，IGBT T就開啟導(dǎo)通了，當 0n、0ff端由低電平變?yōu)楦唠娖綍r，第一場效應(yīng)管Ml關(guān)斷，第二場效應(yīng)管M2導(dǎo)通，Ve電位拉低，IGBT T關(guān)斷，這種關(guān)斷屬于正常的硬關(guān)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采樣檢測端Vsre分析，控制邏輯電路進行邏輯處理，軟關(guān)斷輸出控制端softoff變?yōu)楦唠娖剑_關(guān)場效應(yīng)管M4關(guān)斷，on端變?yōu)楦唠娖?，第一場效?yīng)管Ml關(guān)斷，of f端為低電平，第二場效應(yīng)管 M2關(guān)斷，智能功率模塊進入軟關(guān)斷保護狀態(tài)，驅(qū)動電路關(guān)斷不工作。由于正常工作的時候，開關(guān)場效應(yīng)管M4導(dǎo)通，對電容C進行充電，電容C已經(jīng)充滿電，當softoff端變?yōu)楦唠娖降臅r候，開關(guān)場效應(yīng)管M4關(guān)斷，此時Vfflp處的電壓為高，開關(guān) B處于閉合狀態(tài)，電容C通過恒流源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(guān)斷速度。當放電場效應(yīng)管M3柵極的電壓達到VREF參考電壓時，說明放電場效應(yīng)管M3驅(qū)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(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖健?”，開關(guān)B斷開，電容C停止放電。放電場效應(yīng)管M3繼續(xù)大電流放電，迅速結(jié)束米勒平臺，之后，放電場效應(yīng)管M3柵極電壓掉落VREF以下，比較器comp輸出的電平翻轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖健?”，開關(guān)B接通，電容C繼續(xù)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(xiàn)有技術(shù)相比， Δ t< Δ tl，Δ t2> Δ t3。由于縮短了 IGBT關(guān)斷時的米勒平臺時間Δ t，加長了米勒平臺后的放電時間At2，從而減小di/dt，避免了 IGBT集電極高壓的產(chǎn)生，實現(xiàn)了最具有安全保障的軟關(guān)斷保護。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種具有軟關(guān)斷功能的智能功率模塊，包括IGBT、用于控制IGBT的門極驅(qū)動電路、 用于關(guān)斷IGBT的軟關(guān)斷電路和用于控制所述門極驅(qū)動電路和軟關(guān)斷電路的控制邏輯電路，所述控制邏輯電路、門極驅(qū)動電路和IGBT依次連接，所述軟關(guān)斷電路連接在所述控制邏輯電路和IGBT之間，且所述軟關(guān)斷電路與所述門極驅(qū)動電路并聯(lián)，所述控制邏輯電路具有軟關(guān)斷輸出控制端，其特征在于所述軟關(guān)斷電路包括開關(guān)場效應(yīng)管，其柵極與所述軟關(guān)斷輸出控制端相連，漏極與電源相連； 放電場效應(yīng)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(guān)場效應(yīng)管的源極相連，另一端接地； 開關(guān)，其輸入端與所述開關(guān)場效應(yīng)管的源極相連； 恒流源，其輸入端與所述開關(guān)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(guān)場效應(yīng)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(yīng)管的柵極相連；比較器，其同相輸入端與所述放電場效應(yīng)管的柵極相連，反相輸入端與參考電壓相連， 輸出端與開關(guān)的控制端相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有軟關(guān)斷功能的智能功率模塊，其特征在于所述控制邏輯電路還具有開啟脈沖輸出端和關(guān)閉脈沖輸出端，所述門極驅(qū)動電路包括第一場效應(yīng)管，其柵極與所述控制邏輯電路的開啟脈沖輸出端相連，漏極與電源相連；第一電阻，其一端與所述第一場效應(yīng)管的源極相連，另一端與所述IGBT的門極相連； 第二場效應(yīng)管，其柵極與所述控制邏輯電路的關(guān)閉脈沖輸出端相連，源極接地； 第二電阻，其一端與所述第二場效應(yīng)管的漏極相連，另一端與所述IGBT的門極相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有軟關(guān)斷功能的智能功率模塊，其特征在于所述具有軟關(guān)斷功能的智能功率模塊還包括電壓采樣檢測電路，所述控制邏輯電路還具有一電壓采樣檢測端，所述電壓采樣檢測電路包括二極管，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采樣檢測端相連。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有軟關(guān)斷功能的智能功率模塊，包括IGBT、門極驅(qū)動電路、軟關(guān)斷電路和控制邏輯電路，所述軟關(guān)斷電路包括開關(guān)場效應(yīng)管；放電場效應(yīng)管；電容，其一端與所述開關(guān)場效應(yīng)管的源極相連，另一端接地；開關(guān)，其輸入端與所述開關(guān)場效應(yīng)管的源極相連；恒流源，其輸入端與所述開關(guān)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(guān)場效應(yīng)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(yīng)管的柵極相連；比較器，其同相輸入端與所述放電場效應(yīng)管的柵極相連，反相輸入端與參考電壓相連，輸出端與開關(guān)的控制端相連。本發(fā)明可用于智能功率模塊。
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(yōu)先權(quán)日2011年9月8日
發(fā)明者周衛(wèi)國 申請人:周衛(wèi)國