智能功率模块、家用电器
阅读：45发布：2021-06-10
专利汇可以提供智能功率模块、家用电器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型公开了一种智能功率模 块 、 家用电器 ，所述智能功率模块包括：第一上桥臂 开关 管、第二上桥臂开关管、第三上桥臂开关管；第一下桥臂开关管、第二下桥臂开关管、第三下桥臂开关管；驱动第一上桥臂开关管、第二上桥臂开关管、第三上桥臂开关管的第一 驱动器 、第二驱动器、第三驱动器；驱动第一下桥臂开关管、第二下桥臂开关管、第三下桥臂开关管的第四驱动器、第五驱动器、第六驱动器；以及驱动第一驱动器、第二驱动器、第三驱动器，第四驱动器、第五驱动器、第六驱动器的驱动芯片。本实用新型的智能功率模块，能够提高开关的可靠性能，充分发挥智能功率模块的性能。，下面是智能功率模块、家用电器专利的具体信息内容。
1.一种智能功率模块，其特征在于，包括：
第一上桥臂开关管、第二上桥臂开关管、第三上桥臂开关管；
第一下桥臂开关管、第二下桥臂开关管、第三下桥臂开关管；
驱动所述第一上桥臂开关管的第一驱动器、驱动所述第二上桥臂开关管的第二驱动器、驱动所述第三上桥臂开关管的第三驱动器；
驱动所述第一下桥臂开关管的第四驱动器、驱动所述第二下桥臂开关管的第五驱动器、驱动所述第三下桥臂开关管的第六驱动器；以及
驱动所述第一驱动器、第二驱动器、第三驱动器、所述第四驱动器、第五驱动器、第六驱动器的驱动芯片。
2.如权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述第一驱动器、第二驱动器、第三驱动器、第四驱动器、第五驱动器和第六驱动器均包括：
负压产生电路，所述负压产生电路的第一端与所述第一上桥臂开关管、第二上桥臂开关管、第三上桥臂开关管、所述第一下桥臂开关管、第二下桥臂开关管、第三下桥臂开关管中一个的控制端相连，所述负压产生电路的第二端与所述驱动芯片相连。
3.如权利要求2所述的智能功率模块，其特征在于，所述负压产生电路包括：
第一电感，所述第一电感的第一端与所述驱动芯片相连；
第一电阻，所述第一电阻的第一端与所述第一上桥臂开关管、第二上桥臂开关管、第三上桥臂开关管、所述第一下桥臂开关管、第二下桥臂开关管、第三下桥臂开关管中一个的控制端相连，所述第一电阻的第二端与所述第一电感的第二端相连；
二极管，所述二极管的阴极与所述第一电感的第一端相连，所述二极管的阳极与所述第一电阻的第一端相连；
第二电阻，所述第二电阻的第一端与所述第一电阻的第一端相连，所述第二电阻的第二端接地；
第三电阻，所述第三电阻的第一端与所述驱动芯片相连；
第二电感，所述第二电感的第一端与所述第三电阻的第二端相连，所述第二电感的第二端接地。
4.如权利要求3所述的智能功率模块，其特征在于，所述第一驱动器、第二驱动器、第三驱动器、第四驱动器、第五驱动器和第六驱动器还均包括：
尖峰电压消除电路，所述尖峰电压消除电路与所述负压产生电路的输出端相连。
5.如权利要求4所述的智能功率模块，其特征在于，所述尖峰电压消除电路包括：
第四电阻，所述第四电阻的第一端与所述第一电阻的第一端相连；
开关管，所述开关管的控制端与所述第四电阻的第二端相连，所述开关管的第一端与所述第一电阻的第一端相连，所述开关管的第二端接地。
6.一种家用电器，其特征在于，包括如权利要求1-5任一项所述的智能功率模块。
7.如权利要求6所述的家用电器，其特征在于，所述家用电器为空调器。
智能功率模块、家用电器
技术领域
[0001] 本申请涉及家用电器技术领域，特别涉及一种智能功率模块和一种家用电器。
背景技术
[0002] 智能功率模块，即IPM(Intelligent Power Module)，是一种将电力电子和集成电路技术结合的功率驱动类产品。智能功率模块把功率开关器件和高压驱动电路集成在一起，并内置有过电压、过电流和过热等故障检测电路。智能功率模块一方面接收MCU(Micro Controller Unit，微控制单元)的控制信号，驱动后续电路工作，另一方面将系统的状态检测信号送回MCU。与传统分立方案相比，智能功率模块以其高集成度、高可靠性等优势赢得越来越大的市场，尤其适合于驱动电机的变频器及各种逆变电源，是变频调速，冶金机械，电力牵引，伺服驱动，变频家电的一种理想电力电子器件。
[0004] 申请人研究发现：目前的智能功率模块内部功率器件为Si基器件，人们对Si功率器件的研究已经非常成熟，Si基功率半导体器件性能即将逼近材料性质的极限，很难通过器件结构创新和制造工艺改进等途径大幅度提高其整体性能。由于硅材料的限制，Si功率器件大都只能在250℃以下工作，并且Si材料临界击穿电场在250000V/cm左右，耐压能力有限。而且，Si功率器件高频性能不好，应用最多的Si基IGBT具有很明显的拖尾电流，而且很难降低或消除，这使得Si基IGBT具有较大的关断损耗。随着电力电子技术应用范围的不断扩大，日益严苛的应用场合和人们对电力电子设备要求的不断提高，急需具有高压、高温、低损耗的新材料功率半导体器件以替代传统的Si基功率半导体器件。
[0005] 相关技术中，如图2所示，采用GaN功率晶体管代替Si基功率半导体器件。驱动IC驱动一个单体增强型氮化镓晶体管，具有独立拉灌输出功能。独立拉灌输出功能可通过改变各自通道上的驱动电阻R1、R2，分别控制开通和关断时间。
[0006] 但是本申请发明人发现上述技术存在如下技术问题：由于GaN功率管的开通阈值电压较低，所以采用负压关断更加可靠，但是现行驱动电路的关断电压一般为0V，容易引起不可靠开关。另外，由于GaN功率晶体管对电路干扰比较敏感，现行GaN驱动电路很难消除电路干扰，容易引起误开通或者对GaN功率晶体管造成损坏。实用新型内容
[0007] 本申请实施例通过提供一种智能功率模块、家用电器，能够提高开关的可靠性能，充分发挥智能功率模块的性能。
[0008] 本申请实施例提供了一种智能功率模块，包括：第一上桥臂开关管、第二上桥臂开关管、第三上桥臂开关管；第一下桥臂开关管、第二下桥臂开关管、第三下桥臂开关管；驱动所述第一上桥臂开关管的第一驱动器、驱动所述第二上桥臂开关管的第二驱动器、驱动所述第三上桥臂开关管的第三驱动器；驱动所述第一下桥臂开关管的第四驱动器、驱动所述第二下桥臂开关管第五驱动器、驱动所述第三下桥臂开关管的第六驱动器；以及驱动所述第一驱动器、第二驱动器、第三驱动器、所述第四驱动器、第五驱动器、第六驱动器的驱动芯片。
[0009] 另外，根据本申请上述提出的智能功率模块还可以具有如下附加的技术特征：
[0010] 具体地，所述第一驱动器、第二驱动器、第三驱动器、第四驱动器、第五驱动器和第六驱动器均包括：负压产生电路，所述负压产生电路的第一端与所述第一上桥臂开关管、第二上桥臂开关管、第三上桥臂开关管、所述第一下桥臂开关管、第二下桥臂开关管、第三下桥臂开关管中一个的控制端相连，所述负压产生电路的第二端与所述驱动芯片相连。
[0011] 具体地，所述负压产生电路包括：第一电感，所述第一电感的第一端与所述驱动芯片相连；第一电阻，所述第一电阻的第一端与所述第一上桥臂开关管、第二上桥臂开关管、第三上桥臂开关管、所述第一第三下桥臂开关管、第二下桥臂开关管、第三下桥臂开关管中一个的控制端相连，所述第一电阻的第二端与所述第一电感的第二端相连；二极管，所述二极管的阴极与所述第一电感的第一端相连，所述二极管的阳极与所述第一电阻的第一端相连；第二电阻，所述第二电阻的第一端与所述第一电阻的第一端相连，所述第二电阻的第二端接地；第三电阻，所述第三电阻的第一端与所述驱动芯片相连；第二电感，所述第二电感的第一端与所述第三电阻的第二端相连，所述第二电感的第二端接地。
[0012] 具体地，所述第一驱动器、第二驱动器、第三驱动器、第四驱动器、第五驱动器和第六驱动器还均包括：尖峰电压消除电路，所述尖峰电压消除电路与所述负压产生电路的输出端相连。
[0013] 具体地，所述尖峰电压消除电路包括：第四电阻，所述第四电阻的第一端与所述第一电阻的第一端相连；开关管，所述开关管的控制端与所述第四电阻的第二端相连，所述开关管的第一端与所述第一电阻的第一端相连，所述开关管的第二端接地。
[0014] 本申请提供了一种家用电器，包括上述的智能功率模块。
[0015] 其中，家用电器可以为空调器。
[0016] 本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
[0017] 1、可以实现6V开通和负压关断，提供更加可靠开关性能；
[0019] 本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0020] 图1为相关技术中智能功率模块的电路结构图；
[0021] 图2为相关技术中GaN器件的驱动电路示意图；
[0022] 图3为本申请实施例一的智能功率模块的方框示意图；
[0023] 图4为本申请实施例一的智能功率模块的电路结构图；以及
[0024] 图5为本申请实施例一的智能功率模块中驱动器与驱动芯片的电路结构图。
具体实施方式
[0025] 为了解决现有技术中，由于GaN功率管的开通阈值电压较低，所以采用负压关断更加可靠，但是，驱动电路的关断电压一般为0V，容易引起不可靠开关。另外，由于GaN功率晶体管对电路干扰比较敏感，GaN驱动电路很难消除电路干扰，容易引起误开通或者对GaN功率晶体管造成损坏的问题，本申请提供的一种智能功率模块，能够实现6V开通和负压关断，提供更加可靠开关性能，同时还可以消除电压尖峰和电路干扰，进一步提供驱动的可靠性，充分发挥GaN器件的性能。
[0026] 为了更好的理解上述技术方案，下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
[0027] 下面结合附图来描述本申请实施例的智能功率模块和及家用电器。
[0028] 实施例一
[0029] 图3为本申请实施例一的智能功率模块的方框示意图。图4为本申请实施例一的智能功率模块的电路结构图。
[0030] 如图3和图4所示，本申请实施例的智能功率模块，可包括：第一上桥臂开关管、第二上桥臂开关管、第三上桥臂开关管，第一下桥臂开关管、第二下桥臂开关管、第三下桥臂开关管，驱动第一上桥臂开关管的第一驱动器、驱动第二上桥臂开关管的第二驱动器、第三上桥臂开关管的第三驱动器，驱动第一下桥臂开关管的第四驱动器、驱动第二下桥臂开光管的第五驱动器、驱动第三下桥臂开关管的第六驱动器，驱动第一驱动器、第二驱动器、第三驱动器，第四驱动器、第五驱动器、第六驱动器的驱动芯片40。
[0031] 其中，第一上桥臂开关管11可包括GaN1器件，第二上桥臂开关管12可包括GaN3器件，第三上桥臂开关管13可包括GaN5器件，第一下桥臂开关管21可包括GaN2器件，第二下桥臂开关管22可包括GaN4器件，第三下桥臂开关管23可包括GaN6器件。
[0032] 第一驱动器31与第一上桥臂开关管11相连，以驱动第一上桥臂开关管11中的GaN1器件工作；第二驱动器32与第二上桥臂开关管12相连，以驱动第二上桥臂开关管12中的GaN3器件工作；第三驱动器33与第三上桥臂开关管13相连，以驱动第三上桥臂开关管13中的GaN5器件工作；第四驱动器34与第一下桥臂开关管21相连，以驱动第一下桥臂开关管21中的GaN2器件工作；第五驱动器35与第二下桥臂开关管22相连，以驱动第二下桥臂开关管22中的GaN4器件工作；第六驱动器36与第三下桥臂开关管23相连，以驱动第三下桥臂开关管23中的GaN6器件工作。
[0033] 驱动芯片40分别与第一驱动器、第二驱动器、第三驱动器、第四驱动器、第五驱动器、第六驱动器相连，以分别输入驱动信号给第一驱动器至第六驱动器，驱动第一上桥臂开关管、第二上桥臂开关管、第三上桥臂开关管中的GaN器件工作、驱动第一下桥臂开关管、第二下桥臂开关管、第三下桥臂开关管中的GaN器件工作。
[0034] 需要说明的是，GaN器件为第三代半导体—宽禁带半导体功率器件，具有击穿电压高、功率密度高、输出功率高、工作频率高、适合高温下工作等优点。GaN器件几乎没有开关损耗和反向续流二极管损耗，虽然器件本体内没有二极管，但其具有二极管的特性，即GaN器件反向导通具有等效“二极管”的特性，所以GaN器件不需要外部的反并联二极管，反向恢复性能优良，硬开关效率高，是非常有前景的功率半导体器件。GaN器件的开关特性、驱动技术及损耗机制相比Si MOSFET有显著差异，如何实现对GaN器件的驱动，对发挥其优势、提高系统整体性能十分关键。
[0035] 下面对第一驱动器至第六驱动器的具体结构进行详细描述。
[0036] 在本申请的一个实施例中，如图5所示，第一驱动器、第二驱动器、第三驱动器、第四驱动器、第五驱动器和第六驱动器均可包括：负压产生电路37，负压产生电路37的第一端与第一上桥臂开关管、第二上桥臂开关管、第三上桥臂开关管、第一下桥臂开关管、第二下桥臂开关管、第三下桥臂开关管中一个的控制端相连，负压产生电路37的第二端与驱动芯片40相连。也就是说，驱动芯片40输出驱动信号至负压产生电路37，负压产生电路37根据驱动信号产生负压信号，以为GaN器件提供负压信号。
[0037] 进一步地，负压产生电路37可包括：第一电感L1、第一电阻R1、二极管D1、第二电阻R2、第三电阻R3和第二电感L2。其中，第一电感L1的第一端与驱动芯片40相连，第一电阻R1的第一端与第一上桥臂开关管、第二上桥臂开关管、第三上桥臂开关管、第一下桥臂开关管、第二下桥臂开关管、第三下桥臂开关管中一个的控制端相连，第一电阻R1的第二端与第一电感L1的第二端相连，二极管D1的阴极与第一电感L1的第一端相连，二极管D1的阳极与第一电阻R1的第一端相连，第二电阻R2的第一端与第一电阻R1的第一端相连，第二电阻R2的第二端接地，第三电阻R3的第一端与驱动芯片40相连，第二电感L2的第一端与第三电阻R3的第二端相连，第二电感L2的第二端接地。其中，由于驱动芯片40的输出信号存在高频震荡信号，可以通过电感L1消除电路震荡；通过调节第一电阻R1可以实现GaN器件的开关时间；二极管D1在驱动芯片40的输出端OUT输出高电平信号时，可以将正电压稳定在限制范围内。
[0038] 参见图5，第一驱动器、第二驱动器、第三驱动器、第四驱动器、第五驱动器和第六驱动器还均可包括：尖峰电压消除电路38，尖峰电压消除电路38与负压产生电路37的输出端相连。
[0039] 进一步地，尖峰电压消除电路38可包括：第四电阻R4和开关管PNP1，其中，第四电阻R4的第一端与第一电阻R1的第一端相连，开关管PNP1的控制端与第四电阻R4的第二端相连，开关管PNP1的第一端与第一电阻R1的第一端相连，开关管PNP1的第二端接地。通过调节第四电阻R4的大小，可以实现调节开关管PNP1开通条件。
[0040] 其中，当第一上桥臂开关管、第二上桥臂开关管、第三上桥臂开关管中的器件(GaN1、GaN3、GaN5)开通时，第一下桥臂开关管、第二下桥臂开关管、第三下桥臂开关管中的器件(GaN2、GaN4、GaN6)漏极和源极两端的电压突然升高，因为其寄生电容的存在，会产生一个正向尖峰脉冲。当下桥臂开关管中的GaN器件开通时，上桥臂开关管中的GaN器件的漏极和源极两端电压突然升高，也可能产生正向脉冲尖峰。如果正向电压尖峰的值超过了GaN器件的阈值电压值，就会造成开关器件的误导通。因此，当产生正向尖峰电压，控制开关管PNP1导通，可消除电压尖峰，防止GaN器件的损坏和误开通。另外，当驱动芯片40输出的驱动信号出现电压尖峰，电压尖峰可以通过电感L1被消除。因此，本申请的驱动器可以实现负压关断，消除电压尖峰，消除电路震荡，提高电路抗干扰性能。
[0041] 具体而言，驱动芯片40的端口IN从MCU接收信号，从OUT输出开通和关断信号。GaN器件的栅极和源极电压范围为-10V～+7V，开通最佳值一般为6V，所以需要额外的6V供电电压。端口VREG为GaN器件提供6V的电压，所以从OUT可以输出6V的开通电压信号，而关断时则输出0V电压信号。
[0042] 当驱动芯片40输出信号为高电平信号时，GaN器件开通。此时，电流主要分二路，第一路流经第一电感L1、第一电阻R1和第二电阻R2回到底端，第二路流经第三电阻R4和第二电感L2回到底端。当驱动芯片40输出信号为低电平信号时，电流路径发生变化，由于电感有电流惯性，第二路电流(即，流经第三电阻R3和第二电感L2的电流)仍然保持原来的方向；第一路电流(即，流经第一电感L1、第一电阻R1和第二电阻R2的电流)改变方向，经过二极管D1与第二路电流汇合回到底端。当驱动芯片40输出信号为低电平信号时，由于第一路电流方向改变，导致第一电阻R1的右端(即与GaN器件栅极相连一端)出现负压，从而使GaN器件的栅极电压为负，实现负压关断。
[0043] 其中，负压大小可以通过调节第二电阻R2和第三电阻R3的大小进行调节。另外，虽然第一电感L1也有惯性，因为二极管D1的存在给关断电流提供了一条通路，从而使所设计的驱动器不会影响GaN器件的关断时间。
[0044] 需要说明的是，为了详细说明本申请，图5所示的智能功率模块的电路图仅作为本申请的一个实施例，图中的驱动器表示第一驱动器至第六驱动器中的其中一个，GaN器件为与驱动器相对应的第一上桥臂开关管、第二上桥臂开关管、第三上桥臂开关管、第一下桥臂开关管、第二下桥臂开关管、第三下桥臂开关管中的GaN器件。
[0045] 另外，本申请中的驱动器并不局限于全GaN器件的智能功率模块，也可以用在包含GaN器件的智能功率模块，例如，在集成PFC(Power Factor Correction，功率因数校正)智能功率模块中，PFC开关管采用GaN器件，相应的可以采用本申请的驱动器，这里不再详细介绍。
[0046] 由此，本申请的智能功率模块可以实现6V开通和负压关断，提供更加可靠开关性能，还可消除电压尖峰和电路干扰，进一步提供驱动的可靠性，充分发挥GaN器件的性能。
[0047] 上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：
[0048] 1、可以实现6V开通和负压关断，提供更加可靠开关性能；
[0049] 2、可以消除电压尖峰和电路干扰，进一步提供驱动的可靠性，充分发挥GaN器件的性能。
[0050] 为了实现上述实施例，本申请还提出一种家用电器，其包括上述的智能功率模块。其中，家用电器可以为空调器，空调器可包括家用壁挂式空调、家用立柜式空调和家用窗式空调等。
[0051] 本申请实施例的家用电器，通过上述的智能功率模块，能够实现安全可靠的运行。
[0052] 本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0053] 本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0054] 这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0055] 这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0056] 应当注意的是，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的部件或步骤。位于部件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的部件。本申请可以借助于包括有若干不同部件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。
[0057] 尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
[0058] 显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本发[0059] 明的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
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