技术领域
[0001] 本
发明涉及芯片集成技术领域，具体涉及一种基于IGBT的系统级芯片。
背景技术
[0002] 在现有的变流装置中，功率
半导体器件是变流装置的核心。功率组件一般由IGBT
衬板、
基板、管壳、
硅胶、印刷
电路板(PCB)、母排、驱动控制板等组成，用于实现
电能在交流/直流(AC/DC)或者直流/交流(DC/AC)之间的变换。
[0003] 然而，
现有技术中功率组件的集成度不高，导致例如杂散参数和干扰等问题，从而使得变流装置的可靠度较低。具体地，现有的变流装置在系统层面进行集成，这样整个系统的杂散参数大，而且不易控制和仿真，整个系统的芯片均流性差。例如，一个
机车用IGBT模
块并联24个IGBT芯片和12个FRD芯片，近百万个元胞结构，而且驱动线的长度和布置都对器件动态参数影响也是极大。
[0004] 基于此，亟需一种基于IGBT的系统级芯片，在IGBT芯片的制备过程中进行整体系统设计，旨在提高系统的可靠性和集成度。
发明内容
[0005] 本发明要解决的技术问题是：现有技术中功率组件的集成度不高，导致例如杂散参数和干扰等问题，从而使得变流装置的可靠度较低。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于IGBT的系统级芯片，其包括：
[0007] 印刷
电路板，其具有功率区、驱动区、隔离区和控制区；
[0008] 多个功率组件，其设置于所述功率区内；
[0009] 多个
驱动器，其设置于所述驱动区内，所述驱动器一一对应地驱动所述功率组件；
[0010] 隔离组件，其设置于所述隔离区内；以及
[0011]
控制器，其设置于所述控制区内，所述控制器经由所述隔离组件控制各个驱动器，以使各个驱动器分别对应地驱动各个功率组件工作，
[0012] 所述驱动器的输出端的端面与对应的功率组件的控制端的端面
接触，以实现该驱动器的输出端与对应的功率组件的控制端的电连接。
[0013] 优选的是，所述功率区、驱动区、隔离区和控制区依次并排设置。
[0014] 优选的是，所述功率组件的输出
信号通过两个输出端口向外输出。
[0015] 优选的是，所述多个功率组件受控于所述控制器，以实现整流功能与逆变功能的切换。
[0016] 优选的是，各个功率组件所在支路的额定
电流相同。
[0017] 优选的是，所述印刷电路板还具有检测区，所述系统级芯片还包括设置于所述检测区的检测装置，该检测装置用于检测片上
温度、
电压和电流中的一种或多种，并将检测结果反馈给所述控制器。
[0018] 优选的是，所述印刷电路板还具有存储区，所述系统级芯片还包括设置于所述存储区的
存储器，该存储器与所述控制器电连接。
[0019] 优选的是，所述印刷电路板还具有通信区，所述系统级芯片还包括设置于所述通信区的通信装置，该通信装置与所述存储器和所述控制器电连接。
[0020] 优选的是，所述通信装置为SPI通信装置。
[0021] 优选的是，上述基于IGBT的系统级芯片应用于
水下设备中。
[0022] 与现有技术相比，上述方案中的一个或多个
实施例可以具有如下优点或有益效果：
[0023] 应用本发明的基于IGBT的系统级芯片，驱动器的输出端的端面与功率组件的控制端的端面接触，可见，驱动器输出端与功率组件的控制端之间通过端面接触来互联(可称为网状互联)。由于IGBT是电压驱动型，因此通过网状互联和缩短栅极连接距离能保证IGBT同时开启和关断，大大提高了IGBT元胞导通率和关断率。
附图说明
[0024] 通过结合附图阅读下文示例性实施例的详细描述可更好地理解本公开的范围。其中所包括的附图是：
[0025] 图1示出了根据本发明实施例的基于IGBT的系统级芯片的示意图；
[0026] 图2示出了全桥主电路原理示意图。
具体实施方式
[0027] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方法，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。
[0028] 在现有技术中，功率组件的集成度不高，导致例如杂散参数和干扰等问题，从而使得变流装置的可靠度较低。为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种基于IGBT的系统级芯片。下面结合附图对本发明的各个优选的实施例进行详细阐述。
[0029] 图1示出了根据本发明实施例的基于IGBT的系统级芯片的示意图。如图1所示，本发明实施例的基于IGBT的系统级芯片，主要包括印刷电路板、功率组件、驱动器、隔离器件及控制器。
[0030] 具体地，印刷电路板被划分为功率区、驱动区、隔离区、控制区、检测区、存储区和通信区。功率区、驱动区、隔离区和控制区依次并排设置。
[0031] 多个功率组件设置在印刷电路板的功率区内。这里，功率组件为IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)。
[0032] 多个驱动器设置在驱动区内。其中，每个驱动器与一个功率组件一一对应。即每个驱动器一一对应地驱动一个功率组件。
[0033] 隔离组件设置在隔离区内。
[0034] 控制器设置在控制区内，控制器优选为Cortex-A7/M。该控制器经由隔离组件控制各个驱动器，从而使各个驱动器分别对应地驱动各个功率组件工作。即每个驱动器受控于控制器，在该控制器的控制下，控制与该驱动器相对应的功率组件工作。
[0035] 在本实施例中，功率组件为IGBT元包，其控制端(即栅极输入端)的端面呈平面正六边形状。驱动器的输出端的端面也呈平面状。由此，驱动器的输出端的端面与对应的功率组件的控制端的端面接触与固定连接，从而实现该驱动器的输出端与对应的功率组件的控制端的电连接。
[0036] 参照图1，在本发明一优选的实施例中，印刷电路板还具有检测区、存储区和通信区。所述系统级芯片还包括设置于所述检测区的检测装置、设置于所述存储区的存储器以及设置于所述通信区的通信装置。检测装置用于检测片上温度、电压和电流(均为模拟量)中的一种或多种，并将检测结果反馈给所述控制器。存储器(例如RAM)与所述控制器电连接。存储器用于存储故障数据、SVPWM参数等。通信装置与所述存储器和所述控制器电连接。特别地，该通信装置优选为SPI通信装置。该通信装置主要用于进行远程控制以及远程监控。SPI是串行
接口，全双工，有典型可靠性的标准电路，通过改变通信协议可以与其他接口实现数据交流。
[0037] 应用本发明的基于IGBT的系统级芯片，驱动器的输出端的端面与功率组件的控制端的端面接触，可见，驱动器输出端与功率组件的控制端之间通过端面接触来互联(可称为网状互联)。由于IGBT是电压驱动型，因此通过网状互联和缩短栅极连接距离能保证IGBT同时开启和关断，大大提高了IGBT元胞导通率和关断率。
[0038] 仍然参照图1，功率组件的
输出信号通过两个输出端口向外输出。可见，功率
端子通过两个端子同时输出，提高了
焊接的可靠性。在使用过程中，即使一个端子脱焊了，另一个也能保证系统可靠运行。
[0039] 在本发明一优选的实施例中，多个功率组件受控于所述控制器，以实现整流功能与逆变功能的切换。下面结合图2具体说明整流功能与逆变功能的切换。
[0040] 整流运行模式：图2所示的全桥主电路包括四个桥臂，如果把L+\L-接单相交流电，AB连接，CD连接，通过改变控制器内的程序，就可以把单相交流电全控整流成可调直流电从AB、CD输出。
[0041] 逆变运行模式：如果把L+\L-接直流流电，ABC三相输出D用于斩波，通过改变控制器的程序，就可以把直流电逆变成可以调节
频率和幅值的三相交流电，从ABC输出。这里，全功率是指变流器工作在额定功率下。在本实施例中，逆变功能和整流功能完全通过控制器和外部接线来决定。
[0042] 在本发明一优选的实施例中，各个功率组件所在支路的额定电流相同。这里，IGBT元胞都是并联的，电流的路径是各条路径的总和，而且某条路径有额定的电流，如果因为不均流导致某条路径电流偏大，会因为焦
耳定律发热而烧毁某处元胞。
[0043] 本发明实施例的基于IGBT的系统级芯片克服了现有技术中系统的集成度比较分散，能够实现在芯片内部进行拓扑互联、栅极驱动(片上驱动)、保护策略(片上保护)、SVPWM控制(片上控制)、电压电流温度等物理量的检测(片上检测)、片上存储、片上通信等，即能大大提高SoC的集成度，减少外部互联带来的杂散参数和干扰的问题，大大提高了系统的可靠性。
[0044] 本实施例基于IGBT的SoC能
覆盖中小等级功率，以IGBT为执行机构的变流变频系统中，能存取一定量的实时数据与其他控制系统进行数据交互。该基于IGBT的SOC具有如下功能：
[0045] (1)高
能量密度，高集成度，高可靠性。具体地：
[0046] 高可靠度：通过增加功率端子保证芯片系统因热应
力发生功率端子脱焊的可能；通过利用芯片级的仿真来仿真设计系统芯片，对芯片版图和布局调整，保证了系统杂散参数的最优化；针对控制系统的功能减少，使MCU资源集中在逆变控制和保护中来，保证了控制的专用和专一性；
[0047] 高集成度：本实施例通过芯片内部对SPI、MCU、驱动、IGBT、ADA、RAM进行高度集成，每个功能模块都是专用的，相比独立器件系统的更加精炼，
稳定性更好；
[0048] 高
能量密度：通过增加IGBT有效芯片面积，大大增加了IGBT的通流能力，同时用了最新一代IGBT。
[0049] (2)由于驱动集成片上，做到了一个网层IGBT元胞几乎同时导通，改进了动态参数，保证了均流性。具体地：
[0050] 关于均流性，IGBT元胞都是并联的，电流的路径是各条路径的总和，而且某条路径有额定的电流，如果因为不均流导致某条路径电流偏大，会因为焦耳定律发热而烧毁某处元胞。如果驱动集成在片上，通过缩短连线(网层IGBT是一种连线的形式)，和器件布局优化，做到统一令行，保证了每个元胞都工作在设计范围之内。
[0051] (3)能集成整流、逆变等电流电压频率的变换，覆盖全功率等级。
[0052] (4)能进行实时控制IGBT元包等执行机构，能够
自诊断故障，经行故障记录和故障恢复。具体地：
[0053] 执行机构为IGBT。由于本实施例的控制器是专用的，实时性极高，可以定时的通过ADA
采样VCEon的进行比对，如果出现过流了，立刻封
锁脉冲，一定时间后再次检测VCEon，如果还是一样数值，对系统跳主断，开启斩波管进行系统放电。故障恢复是指，当出现过流了，封锁脉冲后，然后重新启动三次，如果还是一样故障，立刻系统跳主断，开启斩波管进行系统放电。
[0054] (5)能够实现与各种通讯接口进行数据交流。
[0055] 值得注意的是，本实施例的基于IGBT的SoC中，由于控制器仅控制片上设备，而无需控制外部设备，因此本实施例的SoC所需空间不大，尤其适用于水下设备等小型设备中。
[0056] 虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的
修改与变化，但本发明的保护范围，仍须以所附的
权利要求书所界定的范围为准。
