用于ipm功率开关器件的驱动控制专用厚膜电路的制作方法

专利名称：用于ipm功率开关器件的驱动控制专用厚膜电路的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种IPM (Intelligent Power Module,智能功率模块)驱 动控制专用厚膜电路，特别是涉及一种对IPM内部的功率开关器件IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极型晶体管)驱动与保护、对外 部控制信号提供处理接口的厚膜电路。
背景技术：
近年来，电力电子技术正朝着大容量、模块化、智能化及廉价化的方向迅 速发展，以提高装置的功率密度，降低噪音，减小能耗和原材料的消耗，简化 电路设计和提高系统的可靠性。IPM就是在这种趋势下发展起来的新型电力电 子器件。该器件一般以绝缘栅双极型晶体管IGBT为基本功率开关器件。
IPM的最大特点是集数据接口、功率变换、驱动及保护电路于一体。IPM 广泛应用在工业领域及消费领域，尤其在电机的变频调速领域，如变频空调 器，变频冰箱、变频调速器和逆变电源中。通过应用IPM产品，能节省大量 的能源。
IPM集合了功率开关器件、控制驱动电路、功率封装三种技术。其中，控 制驱动电路是其关键，要针对IPM的应用，能够提供驱动与完善的保护功能。
申请号为200620168563.2的中国实用新型申请公开了一种模块化功率元 件IGBT驱动器，其控制信号输入、故障信号输出通过光纤接口的形式与内部 电路隔离，电源为隔离的单一正电源，但是该方案的光纤接口复杂、成本高， 并且没有负电源，对于高压、大电流的应用中容易产生误触发，造成功率开关 器件误触发。无温度采样、无电流采样功能。
申请号为011300450.0的中国发明专利公开了一种绝缘栅双极型晶体管 IGBT驱动保护电路，其控制信号输入、故障信号输出采用光电耦合器进行隔 离，电源为单一正电源，没有负电源，无温度采样、无电流采样功能。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种用于IPM功率开关器件的 驱动控制专用厚膜电路，用于解决现有技术中对IGBT无法有效驱动与保护的 问题。
为了实现上述目的，本实用新型提供了一种用于IPM功率开关器件的驱 动控制专用厚膜电路，其特征在于，包括用于隔离控制信号的第一光电耦合 器,用于隔离故障信号的第二光电耦合器，信号处理、逻辑控制与驱动保护单 元,功率放大单元，驱动控制单元，故障反馈单元，短路检测单元,电流采样单元，温 度检测单元；
所述控制信号通过所述第一光电耦合器；再依次经过所述信号处理、逻辑 控制与驱动保护单元、所述功率放大单元进行处理，得到放大后的控制信号； 所述放大后的控制信号进入所述驱动控制单元，驱动所述IPM功率开关器件；
所述故障信号经过所述信号处理、逻辑控制与驱动保护单元处理后进入所 述故障反馈单元，经过所述故障反馈单元反馈后，通过所述第二光电耦合器隔 离后输出；
所述短路检测单元，与所述信号处理、逻辑控制与驱动保护单元连接，检 测所述IPM功率开关器件的短路故障；
所述电流采样单元，与所述信号处理、逻辑控制与驱动保护单元连接，通 过外接的电流传感器采样所述IPM功率开关器件的工作电流；
所述温度检测单元，与所述信号处理、逻辑控制与驱动保护单元连接，通 过外接的温度传感器检测所述IPM功率开关器件的工作温度。
所述的驱动控制专用厚膜电路，其中，还包括用于接收通过所述第一光 电耦合器的所述控制信号的输入信号接口单元，设置于所述第一光电耦合器、 所述信号处理、逻辑控制与驱动保护单元之间。
所述的驱动控制专用厚膜电路，其中，还包括用于对所述控制信号进行 锁定的输入信号锁定单元，设置于所述输入信号接口单元、所述信号处理、逻 辑控制与驱动保护单元之间。
所述的驱动控制专用厚膜电路，其中，还包括用于向所述驱动控制单元 提供负驱动电压的负电压源单元，设置于所述信号处理、逻辑控制与驱动保护 单元、所述驱动控制单元之间。所述的驱动控制专用厚膜电路，其中，还包括用于向所述电流采样单元、 所述温度检测单元提供基准电压源的基准电压源单元，连接所述电流采样单 元、所述温度检测单元。
所述的驱动控制专用厚膜电路，其中，用于提供正电压源的正电压源输入 单元，设置于所述信号处理、逻辑控制与驱动保护单元、所述基准电压源单元 之间。
所述的驱动控制专用厚膜电路，其中，所述负电压源单元包括控制器
(E9)、场效应管(Q5)、电感(Ll)、第五稳压管(Z5)、第一电容(Cl)、 第二电容(C2)、第三电容(C3)、第七电容(C7)、第三三电阻(R33)、 第三四电阻(R34)、第三五电阻(R35)、第三六电阻(R36)、第三七电阻
(R37)、第三八电阻(R38);
第一电容(Cl)以并联方式接到控制器(E9)，正极端接参考电压源(Vr) 上，负极端接地；第二电容(C2)的一端接到控制器(E9)上，另一端接地； 第三电容(C3)的一端接到第三七电阻(R37)的一端及电压源(Vee)，另 一端接地；第七电容(C7)的一端与第三四电阻(R34)串接到控制器(E9)， 另一端接地；场效应管(Q5)的栅极接第三三电阻(R33)的一端及控制器(E9)， 源极接电感(Ll)的一端、第五稳压管(Z5)的负极，漏极接第三三电阻(R33) 的另一端；电感(Ll)的另一端接控制器(E9)及第三六电阻(R36)的一端； 第三五电阻(R35)的一端接地，另一端接控制器(E9);第三六电阻(R36) 的另一端接控制器(E9);第三七电阻(R37)的另一端接第三八电阻(R38) 的一端、控制器(E9);第三八电阻(R38)的另一端接控制器(E9)。
所述的驱动控制专用厚膜电路，其中，所述电流采样单元包括第六比较 器(E6)、第二二电阻(R22)、第二四电阻(R24)、第二五电阻(R25)、 第二六电阻(R26)、第二七电阻(R27)和第七二极管(D7);
第六比较器(E6)的正输入端与第二四电阻(R24)的一端、第二五电阻
(R25)的一端之间，负输入端与第二六电阻(R26)的一端、第二七电阻(R27) 的一端连接，输出端接所述信号处理、逻辑控制与驱动保护单元的与非门(E8) 的另一输入端；第七二极管(D7)的正极接第二五电阻(R25)的另一端，负 极与外接的负温度系数的热敏电阻连接；第二二电阻(R22)的一端接第六比 较器(E6)的输出端，另一端接电源；第二四电阻(R24)的另一端接电源；第二六电阻(R26)的另一端接参考电压源(Vr);第二七电阻(R27)的另 一端接地。
所述的驱动控制专用厚膜电路，其中，所述温度检测单元包括第七比较
器(E7)、第二三电阻(R23)、第二八电阻(R28)、第二九电阻(R29)、 第三零电阻(R30)、第三一电阻(R31)、第三二电阻(R32)、第八二极管 (D8);
第七比较器(E7)的正输入端与第三一电阻(R31)的一端、第三二电阻 (R32)的一端连接，负输入端与第二八电阻(R28)的一端、第二九电阻(R29) 的一端连接，输出端接所述信号处理、逻辑控制与驱动保护单元的与非门(E8) 的一输入端；第八二极管(D8)的正极与第二九电阻(R29)的另一端、第三 零电阻(R30)的一端连接，负极与外接的电流传感器连接；第二三电阻(R23) 的一端接电源，另一端接第七比较器(E7)的输出端；第三一电阻(R31)的 另一端接参考电压源(Vr)，第三二电阻(R32)的另一端接地；第二八电阻 (R28)的另一端接电源；第三零电阻(R30)的另一端接地。
所述的驱动控制专用厚膜电路，其中，所述基准电压源单元包括第四电 容(C4)、第五电容(C5)、第六电容(C6)和稳压器(E10);
稳压器(E10)的一端接参考电压源(Vr)，另一端接电源，第三端接地； 第四电容(C4)的正极端接稳压器(E10)、第五电容(C5)的一端、电源， 负极端接地；第五电容(C5)的一端接稳压器(E10)、电源，另一端接地； 第六电容(C6)的一端接稳压器(E10)、参考电压源(Vr)，另一端接地。
本实用新型采用厚膜混合集成技术，将输入的控制信号、输出的故障信号 通过光电耦合器隔离，由信号处理单元、逻辑控制单元及功率放大单元完成对 功率开关器件IGBT的驱动，由短路检测单元、电流采样单元及温度检测单元 完成对功率开关器件IGBT的保护。当出现故障时，则关断功率开关器件IGBT，
同时输出故障信号，锁定输入信号。
本实用新型将输入信号接口电路、功率放大电路、过压、欠压、过流、过 热检测与保护及故障信号输出等功能全部集成于一个厚膜电路之中。其输入逻 辑电平与TTL信号完全兼容，与微处理器的输出可以直接接口。
本实用新型所提供的集成化的应用于IPM产品的驱动控制专用厚膜电路， 针对高压、大电流的应用特点，实现了对功率开关器件IGBT完善的驱动、保护及输入控制信号、输出故障信号的隔离，又集成了负电源、温度采样接口、 电流采样接口、基准电压源。
采用本实用新型的专用厚膜电路，可方便地进行IPM产品的设计，实现 功率开关器件的驱动与保护。
以下结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细描述，但不作为对本实 用新型的限定。


图la、图lb、图lc为本实用新型外观示意图； 图2为本实用新型的模块结构框图； 图3为本实用新型的电路原理图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型的技术方案作进一步更详细 的描述。
如图la、图lb、图lc所示，为本实用新型外观示意图。其中，图la为 封装后的IPM驱动控制专用厚膜电路的俯视图，图lb为封装后的IPM驱动控 制专用厚膜电路的主视图；图lc为封装后的IPM驱动控制专用厚膜电路的左 视图。
在图la中，1为IPM驱动控制专用厚膜电路的上表面，在该表面上印有 型号信息及第1管脚标志；2为IPM驱动控制专用厚膜电路的第1管脚，3为 IPM驱动控制专用厚膜电路的空管脚。
在图lb中，4为电路封装体，5为IPM驱动控制专用厚膜电路的引出管 脚，有空管脚的一侧为IPM驱动控制专用厚膜电路的输入侧。
在图lc中，示出了IPM驱动控制专用厚膜电路的引出管脚5、电路封装 体4。
如图2所示，为本实用新型的模块结构框图。
该图2中给出了一种IPM驱动控制专用厚膜电路，主要包括通过第一 光电耦合器10隔离输入信号的输入信号接口单元30、通过第二光电耦合器20 隔离故障信号的故障反馈单元50、输入信号锁定单元40、信号处理、逻辑控制与驱动保护单元60、短路检测单元70、用于放大驱动信号的功率放大单元
80、驱动控制单元90、负电压源单元IIO、电流采样单元lll、温度检测单元 112、基准电压源单元113、正电源输入单元114。
本实用新型采用厚膜混合集成技术，将输入的控制信号、输出的故障信号 分别通过第一光电耦合器10、第二光电耦合器进行隔离，由信号处理、逻辑 控制与驱动保护单元60及功率放大单元80完成对功率开关器件IGBT的驱动， 由短路检测单元70、电流采样单元111及温度检测单元112完成对功率开关 器件IGBT的保护。当出现故障时，则关断功率开关器件IGBT，同时输出故 障信号，锁定输入信号。
外部输入的控制信号通过第一光电耦合器10隔离后进入输入信号接口单 元30，输入信号接口单元30与信号处理、逻辑控制与驱动保护单元60相连， 信号经信号处理、逻辑控制与驱动保护单元60处理后送入功率放大单元80 进行功率放大，放大后的信号用来驱动功率开关器件IGBT。在关断功率开关 器件IGBT时，由负电压源单元110为驱动控制单元90提供负驱动电压，使 功率开关器件IGBT能够可靠地关断。
内部产生的故障信号由信号处理、逻辑控制与驱动保护单元60通过与之 相连的短路检测单元70、驱动控制单元90、电流采样单元111、温度检测单 元112采集，由信号处理、逻辑控制与驱动保护单元60处理后经与之相连的 故障反馈单元50对故障信号进行反馈，故障反馈单元50与第二光电耦合器 20相连，反馈的故障信号通过第二光电耦合器20隔离后输出。
负电压源单元110与信号处理、逻辑控制与驱动保护单元60、驱动控制 单元90相连，由负电压源单元110提供负电源驱动。
由故障反馈单元50对故障信号进行反馈，故障反馈单元50与第二光电耦 合器20、信号处理、逻辑控制与驱动保护单元60相连，故障信号由第二光电 耦合器20进行隔离后输出到外部控制器。同时输入信号锁定单元40与输入信 号接口单元30、信号处理、逻辑控制与驱动保护单元60相连，在发生故障时 对输入的控制信号进行锁定。
短路检测单元70与信号处理、逻辑控制与驱动保护单元60相连，通过短 路检测单元70对功率开关器件IGBT的短路故障进行检测。
驱动控制单元90与信号处理、逻辑控制与驱动保护单元60相连，由驱动控制单元90检测输出驱动信号的电压，并反馈到信号处理、逻辑控制与驱动 保护单元60。
电流采样单元111与信号处理、逻辑控制与驱动保护单元60相连，电流
采样单元lll外部接电流传感器，实现电流的采样。
温度检测单元112与信号处理、逻辑控制与驱动保护单元60相连，温度 检测单元112外部接温度传感器，实现IPM工作温度的检测。
基准电压源单元113与电流采样单元111、温度检测单元112相连，为电 流采样单元lll、温度检测单元112提供基准电压源。
本实用新型通过集成化的应用于IPM产品的驱动控制专用厚膜电路，针 对高压、大电流的应用特点，实现了对功率开关器件IGBT完善的驱动、保护 及输入控制信号、输出故障信号的隔离，又集成了负电源、温度采样接口、电 流采样接口、基准电压源。
如图3所示，为本实用新型的电路原理图。
在图3中，IPM驱动控制专用厚膜电路的电路基板采用96%AL203的陶瓷 板，相比较环氧树脂材料的印刷板，具有绝缘电阻高、散热好、强度大的优点。 导体、电阻、介质等采用浆料印刷工艺，并经过高温烧结，与陶瓷的粘接强度 高，以从根本上提高电路的可靠性。IPM驱动控制专用厚膜电路所使用的电阻， 均为印刷的厚膜电阻，经过激光修正后，可达到按任意设计要求值。电阻值精 度高，温度系数小，以充分利用基板空间，提高集成度。
下面结合图3，进一步描述图2中各单元的电路构成。
输入信号接口单元30，由稳压管Zl、电阻(Rl、 R2、 R3、 R4)、电容 C4构成。
其中，稳压管Z1的正极接地，负极接在电阻R1、 R2之间；电阻R1的一 端与电阻R2串接，另一端接电源Vcc;电阻R3、 R4串接在电阻R1、 R2之 间；电阻R3的另一端接稳压管Z1的负极，电阻R4的另一端接地，且与电容 C4并联；电阻Rl的一端与第一光电耦合器El相接。
输入信号锁定单元40，由放大器E4、 二极管D4、电阻(R15、 R16)构 成，当故障发生时，锁定输入信号。
其中，放大器E4的正输入端、负输入端分别与放大器E3的正输入端、 负输入端连接，输出端与二极管D4的正极、电阻R19的一端连接；二极管D4的负极与电阻R15的一端、电阻R16的一端之间。电阻R15、 R16的另一 端分别接电源Vcc、接地。
故障反馈单元50，由三级管Q1、电阻R8构成。
其中，三级管Ql的基极与电阻R12的一端、电阻R13的一端及比较器 E5的输出端连接，集电极连接到第二光电耦合器E2、并联后的电阻R9、 RIO、 Rll的一端，发射极接地。电阻R8的一端接第二光电耦合器E2，另一端接电 源Vcc。
信号处理、逻辑控制与驱动保护单元60，由比较器E5、与非门E8、三级 管Q4、 二极管(D2、 D3、 D9)、电阻(RIO、 Rll、 R12、 R13、 R17、 R18) 构成，实现对驱动控制信号的检测。
其中，比较器E5的正输入端与电阻R16的一端、二极管D9的负极连接， 负输入端与二极管D3的正极、电阻R17的一端与电阻R18的一端连接；与非 门E8的输出端接二级管D9的正极。
三极管Q4的发射极接电源Vcc，基极与电阻R19的另一端连接；二极管 D2的负极连接在电阻R10的另一端，正极连接到放大器E3、放大器E4的负 输入端；二极管D3的负极连接在电阻Rll的另一端。
电阻R17的另一端接地，电阻R18的另一端接三极管Q4的集电极；电阻 R19的另一端接电阻R20的一端，电阻R20的另一端接电源Vcc;电阻R12 的另一端接电源Vcc;电阻R13的另一端接地。
短路检测单元70，由稳压管Z4、 二极管(D5、 D6)、电阻(R20、 R21) 构成，当检测到外部电压信号超过安全值时，通过与驱动控制单元90配合， 实现保护。
其中，稳压管Z4的负极连接到三极管Q4的基极、电阻R19的另一端、 电阻R20的一端上，正极与依次串接的二级管D5、 D6的正极连接，依次串接 的二级管D5、 D6的负极与电阻R21连接。
功率放大单元80，由放大器E3、三级管(Q2、 Q3)、电阻(R5、 R6、 R7)构成，对输入的信号进行功率放大。
其中，放大器E3的输出端与二级管D1的正极、电阻R5的一端及三极管 Q2、 Q3的基极连接；三极管Q2的集电极接电源Vcc，发射极接三极管Q3 的发射极；三极管Q3的集电极接电压源Vee;电阻R5的另一端接电源Vcc;电阻R6的一端连接在三极管Q2的发射极与三极管Q3的发射极上，另一端连 接到稳压管Z2的正极；电阻R7的一端与三极管Q2、 Q3的基极连接，另一 端接地。稳压管Z2的负极连接稳压管Z3的负极；稳压管Z3的正极接地。
驱动控制单元90，由二极管D1、电阻R9构成，实现对驱动信号的控制。 其中，二极管D1的负极与电阻R9的另一端连接。
负电压源单元110，由控制器E9、场效应管Q5、电感L1、稳压管Z5、 电容(Cl、 C2、 C3、 C7)、电阻(R33、 R34、 R35、 R36、 R37、 R38)构成， 实现了一个极性反转的DC/DC变换器的功能，E9为集成的DC/DC控制器， 负电压源单元IIO的输出电压通过电阻(R37、 R38)采样，反馈给控制器E9， 最终得到稳定的负电压输出。
其中，电容C1以并联方式接到控制器E9，正极的一端接参考电压源Vr 上，负极的一端接地；电容C2的一端接到控制器E9上，另一端接地；电容 C3的一端接到电阻R37的一端及电压源Vee，另一端接地；电容C7的一端与 电阻R34串接到控制器E9，另一端接地；场效应管Q5的栅极接电阻R33的 一端及控制器E9，场效应管Q5的源极接电感L1的一端、稳压管Z5的负极； 场效应管Q5的漏极接电阻R33的另一端；电感L1的另一端接控制器E9及电 阻R36的一端；电阻R34的另一端接控制器E9;电阻R35的一端接地，另一 端接控制器E9;电阻R36的另一端接控制器E9;电阻R37的另一端接电阻 R38的一端、控制器E9，电阻R38的另一端接控制器E9。
电流采样单元lll，由比较器E6和电阻(R22、 R24、 R25) 、 二极管D7、 电阻(R26、 R27)构成，比较器E6的负输入端通过电阻(R26、 R27)对基 准电压分压，得到稳定的参考电压，二极管D7与外接的负温度系数的热敏电 阻连接，当温度超过安全值时，则比较器E6的负输入端电压低于正输入端电 压，比较器E6输出低电平。
其中，比较器E6的正输入端与电阻R24的一端、电阻25的一端连接， 负输入端与电阻R26的一端、电阻R27的一端连接，输出端接与非门E8的另 一输入端；二极管D7的正极接电阻R25的另一端，负极与外接的负温度系数 的热敏电阻连接；电阻R22的一端接比较器E6的输出端，另一端接电源Vcc; 电阻R24的另一端接电源Vcc;电阻R26的另一端接参考电压源Vr;电阻R27 的另一端接地。温度检测单元112，由比较器E7和电阻(R28、 R29、 R30) 、 二极管D8、 电阻(R31、 R32、 R23)构成，比较器E7的正输入端通过电阻(R31、 R32) 对基准电压分压，得到稳定的参考电压，二极管D8与外接的电流传感器连接， 当电流超过安全值时，则比较器E7的负输入端电压高于正输入端电压，比较 器E7输出低电平。
其中，比较器E7的正输入端与电阻R31的一端、R32的一端连接，负输 入端与电阻R28的一端、电阻29的一端之间，输出端接与非门E8的一输入 端；二极管D8的正极与电阻R29的另一端、电阻R30的一端连接，负极与外 接的电流传感器连接。电阻R23的一端接电源Vcc，另一端接比较器E7的输 出端；电阻R31的另一端接参考电压源Vr，电阻R32的另一端接地；电阻R28 的另一端接电源Vcc;电阻R30的另一端接地。
基准电压源单元113，由电容(C4、 C5、 C6)和稳压器E10构成，通过 对输入的正电源进行线性稳压后得到稳定的基准电压，以提供给其它电路；其 中E10为三端稳压器。
其中，稳压器E10的一端接参考电压源Vr，另一端接电源Vcc，第三端 接地；电容C4的正极端接稳压器E10、电容C5的一端、电源Vcc，负极端接 地；电容C5的一端接稳压器EIO、电源Vcc，另一端接地；电容C6的一端接 稳压器EIO、参考电压源Vr，另一端接地。
由于IPM产品应用于高压、大电流的工作环境下，需要将外部的控制系 统与内部的应用系统进行有效的隔离，保证外部的控制系统的安全。在图3 中，采用光电耦合器E1 (第一光电耦合器IO) 、 E2 (第二光电耦合器20)将 系统内、外进行隔离，输入、输出信号经过光电转换，进行数据交换。
由光电耦合器E1隔离后，输入的控制信号通过放大器E3进行处理，三 极管(Q2、 Q3)构成推挽式功率放大，将放大器E3的输出信号放大后提供给 功率开关器件IGBT。功放的电流输出能力在2A以上，在工作状态下会产生 热量，由于电路基板为陶瓷材料，散热好，所以能够保证三极管(Q2、 Q3) 工作在稳定的温度区间内。
功率开关器件IGBT在进行驱动时，若驱动电压过低，则功率开关器件 IGBT不能稳定正常地工作，同时开通损耗、关断损耗会急剧增加，造成器件 损坏，如果驱动电压过高，则功率开关器件IGBT可能永久性损坏。本实用新型通过比较设定电压基准与驱动电压，可准确检测驱动电压。
过电流、过热会直接影响功率开关器件IGBT的工作特性及可靠性。因此，
在进行本实用新型的专用厚膜电路设计时，针对影响功率开关器件IGBT可靠
性的因素，有的放矢地采取了如下几种相应的保护措施
al)功率开关器件IGBT栅极的保护
功率开关器件IGBT的栅极一发射极驱动电压VGE的保证值为土20V，如 果在它的栅极与发射极之间加上超出保证值的电压，则可能会损坏功率开关器 件IGBT，稳压管Z2、 Z3被设置成栅压限幅电路，实现了栅极的保护。
a2)浪涌电压的保护
因为电路中分布电感的存在，加上功率开关器件IGBT的开关速度较高， 当关断时及与之并接的反向恢复二极管逆向恢复时，就会产生很大的浪涌电压 Ldi/dt，威胁功率开关器件IGBT的安全。在专用厚膜电路设计时，通过调整 功率开关器件IGBT驱动电路的电阻R6，可使应用系统中的Ldi/dt尽可能小。
a3)过流保护
对功率开关器件IGBT的过流保护，主要有如下两种方法
3.1) 用电阻或电流互感器检测过流进行保护
可以用电阻或电流互感器与主回路串联，检测流过主回路的电流。当有过 流情况发生时，将驱动信号断开，达到保护的目的。在本实用新型中，通过比 较器E6将电流采样值与参考电压进行比较，由电阻R24、电阻R25、 二极管 D7与外接的电流采样电阻构成电流采样输入通道，基准电压源通过电阻R26、 电阻R27分压提供参考电压。
3.2) 由VCE(sat)检测过流进行保护
因VCE(sat)=Ic*RCE(sat)，当Ic增大时，VCE(sat)也随之增大，若栅极电 压为高电平，而VCE(sat)为高，则此时就有过流情况发生，此时与门输出高电 平，输出过流信号，将驱动信号断开，达到保护的目的。在本实用新型中通过 电阻R20、稳压管Z4、 二极管D5、 二极管D6、电阻R21进行VCE(sat)的检 测。其中，VCE(sat)是饱含压降，RCE(sat)是饱含电阻，Ic是电流。
a4)过热保护
由于流过功率开关器件IGBT的电流较大，开关频率较高，因此功率开关 器件IGBT的损耗也比较大，如果热量不能及时散掉，使得功率开关器件IGBT的结温Tj超过Tjmax，则功率开关器件IGBT可能损坏。可通过安装在靠近发 热处的温度传感器等，检测工作温度，当温度超过安全值时，厚膜电路能够切 断驱动信号，保护其安全。在本实用新型中通过比较器E7进行过热检测，电 阻(R28、 R29、 R30) 、 二极管D8与外接的热敏电阻构成温度检测通道，基 准电压源通过电阻(R31、 R32)分压提供参考电压。
在本实用新型中，在驱动信号有效的时间内，发生短路、过流、欠压、过 压、过热故障时，则通过逻辑电路后产生故障信号，此时将关断驱动信号，输 出故障信号，锁定输入信号。
在功率开关器件IGBT关断时，栅极要加反向偏置，由于栅极的阻抗很大， 该电流令VGE增加，恶劣条件下可达阈值电压时，则会出现误触发，导致上 下臂同时开通使桥臂短路。因此，在本实用新型中，通过由控制器E9、电容 (Cl、 C2、 C3、 C7)、三极管Q5、稳压管Z5、电感L1、电阻(R33、 R34、 R35、 R36、 R37、 R38)构成的负电源电路，对栅极提供足够的负栅压，使其 可靠地关断。
IPM产品的使用综合性能非常优越，非其它功率器件所能替代，因此成为 当今电力电子技术中的主要器件。在使用时必须正确选择器件的容量，要有完 全严格的保护电路，按产品技术性能规定来正确选定各种参数值和保护值，是 件非常重要的事，只有精心设计，规范运行，才能确保在使用中的安全性和可 靠性。
IPM产品的发展趋向是高耐压、大电流、高速度、低压降、高可靠、低成 本为目标，特别是发展高压变频器的应用，简化其主电路，减少使用器件，提 高可靠性，降低制造成本，简化调试工作等。
本实用新型在生产、测试完毕后采用环氧树脂进行封装，电路整体性能稳 定、 一致性好、集成度高，能够提高IPM产品中的产品的性能。
本实用新型提供了一种用于IPM驱动控制的专用厚膜电路，包括厚膜电 路及引出端子的形式，该厚膜电路还包含对IPM功率开关器件IGBT的驱动、 过压、欠压、短路、过流检测、温度信号检测、电流信号检测、输入信号的隔 离、处理电路。输入信号为TTL电平，可直接与微处理器相连，输入信号经 隔离、放大后输出，驱动IPM产品的功率开关器件IGBT。并通过逻辑保护电 路检测功率开关器件IGBT的饱和压降，来检测IPM产品的过流、短路故障状态，同时具有温度信号采样接口、电流信号采样接口，通过外接传感器可检测 IPM产品的温度及电流。故障信号通过隔离的信号处理、逻辑控制与驱动保护 单元60反馈给外部控制器，电路内部集成有电压基准源电路和负电源电路，
在高压、大电流的应用中能够保证功率开关器件IGBT可靠地工作。本实用新
型采用厚膜混合集成技术，具有集成度高、可靠性高、外部接口结构简单、维
护方便，非常适用于IPM产品的设计与制造。
本实用新型的IPM驱动控制专用厚膜电路具有如下几个特点
1) 简化了IPM产品的复杂设计，减小IPM的体积，提高可靠性，简化布
局和布线，能够使其成为好用的集成型功率器件。
2) 内部电路，布线设计优化，有效抑制干扰；经过调整的驱动电路，可 降低通态损耗和开关损耗，使IPM产品所需的散热器面积更小；采用标准化 逻辑电平控制电路接口，扩充规格时无须另行设计驱动电路，具备强有力的自 动保护和故障检测功能。
3) 通过流传感器输入接口的电流实时监测技术可以高效、迅速地检测出 过电流和短路电流，并采用逐步降栅压的软关断技术，大大降低了关断大电流 而引发的浪涌电压；并能对功率开关器件IGBT给予足够的保护，降低IPM产 品的故障率。
4) 通过温度传感器输入接口可以检测出功率开关器件IGBT的工作温度， 当温度超过安全门限时，迅速关断功率开关器件IGBT。
5) 通过功率开关器件IGBT栅极电压的过压保护和欠压锁定，避免了因 驱动信号电压故障造成的功率开关器件的永久性损坏。
6) 通过对功率开关器件IGBT的负电压关断，使高压、大电流的应用中， 功率开关器件IGBT能够可靠地工作。
当然，本实用新型还可有其他多种实施例，在不背离本实用新型精神及其 实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本实用新型作出各种相应的改 变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本实用新型所附的权利要求的保 护范围。
权利要求1、一种用于IPM功率开关器件的驱动控制专用厚膜电路，其特征在于，包括用于隔离控制信号的第一光电耦合器，用于隔离故障信号的第二光电耦合器，信号处理、逻辑控制与驱动保护单元，功率放大单元，驱动控制单元，故障反馈单元，短路检测单元，电流采样单元，温度检测单元；所述控制信号通过所述第一光电耦合器；再依次经过所述信号处理、逻辑控制与驱动保护单元、所述功率放大单元进行处理，得到放大后的控制信号；所述放大后的控制信号进入所述驱动控制单元，驱动所述IPM功率开关器件；所述故障信号经过所述信号处理、逻辑控制与驱动保护单元处理后进入所述故障反馈单元，经过所述故障反馈单元反馈后，通过所述第二光电耦合器隔离后输出；所述短路检测单元，与所述信号处理、逻辑控制与驱动保护单元连接，检测所述IPM功率开关器件的短路故障；所述电流采样单元，与所述信号处理、逻辑控制与驱动保护单元连接，通过外接的电流传感器采样所述IPM功率开关器件的工作电流；所述温度检测单元，与所述信号处理、逻辑控制与驱动保护单元连接，通过外接的温度传感器检测所述IPM功率开关器件的工作温度。
2、 根据权利要求l所述的驱动控制专用厚膜电路，其特征在于，还包括 用于接收通过所述第一光电耦合器的所述控制信号的输入信号接口单元，设置 于所述第一光电耦合器、所述信号处理、逻辑控制与驱动保护单元之间。
3、 根据权利要求2所述的驱动控制专用厚膜电路，其特征在于，还包括: 用于对所述控制信号进行锁定的输入信号锁定单元，设置于所述输入信号接口 单元、所述信号处理、逻辑控制与驱动保护单元之间。
4、 根据权利要求1所述的驱动控制专用厚膜电路，其特征在于，还包括:用于向所述驱动控制单元提供负驱动电压的负电压源单元，设置于所述信号处 理、逻辑控制与驱动保护单元、所述驱动控制单元之间。
5、 根据权利要求l、 2、 3或4所述的驱动控制专用厚膜电路，其特征在 于，还包括用于向所述电流采样单元、所述温度检测单元提供基准电压源的基准电压源单元，连接所述电流采样单元、所述温度检测单元。
6、 根据权利要求5所述的驱动控制专用厚膜电路，其特征在于，还包括: 用于提供正电压源的正电压源输入单元，设置于所述信号处理、逻辑控制与驱 动保护单元、所述基准电压源单元之间。
7、 根据权利要求4或6所述的驱动控制专用厚膜电路，其特征在于，所述负电压源单元包括控制器(E9)、场效应管(Q5)、电感(Ll)、第五 稳压管(Z5)、第一电容(Cl)、第二电容(C2)、第三电容(C3)、第七 电容(C7)、第三三电阻(R33)、第三四电阻(R34)、第三五电阻(R35)、 第三六电阻(R36)、第三七电阻(R37)、第三八电阻(R38);第一电容(CO以并联方式接到控制器(E9)，正极端接参考电压源(Vr) 上，负极端接地；第二电容(C2)的一端接到控制器(E9)上，另一端接地； 第三电容(C3)的一端接到第三七电阻(R37)的一端及电压源(Vee)，另 一端接地；第七电容(C7)的一端与第三四电阻(R34)串接到控制器(E9)， 另一端接地；场效应管(Q5)的栅极接第三三电阻(R33)的一端及控制器(E9)， 源极接电感(Ll)的一端、第五稳压管(Z5)的负极，漏极接第三三电阻(R33) 的另一端；电感(Ll)的另一端接控制器(E9)及第三六电阻(R36)的一端； 第三五电阻(R35)的一端接地，另一端接控制器(E9);第三六电阻(R36) 的另一端接控制器(E9);第三七电阻(R37)的另一端接第三八电阻(R38) 的一端、控制器(E9);第三八电阻(R38)的另一端接控制器(E9)。
8、 根据权利要求l、 2、 3、 4或6所述的驱动控制专用厚膜电路，其特征 在于，所述电流采样单元包括第六比较器(E6)、第二二电阻(R22)、第 二四电阻(R24)、第二五电阻(R25)、第二六电阻(R26)、第二七电阻(R27) 和第七二极管(D7);第六比较器(E6)的正输入端与第二四电阻(R24)的一端、第二五电阻 (R25)的一端之间，负输入端与第二六电阻(R26)的一端、第二七电阻(R27) 的一端连接，输出端接所述信号处理、逻辑控制与驱动保护单元的与非门(E8) 的另一输入端；第七二极管(D7)的正极接第二五电阻(R25)的另一端，负 极与外接的负温度系数的热敏电阻连接；第二二电阻(R22)的一端接第六比 较器(E6)的输出端，另一端接电源；第二四电阻(R24)的另一端接电源； 第二六电阻(R26)的另一端接参考电压源(Vr);第二七电阻(R27)的另 一端接地。
9、 根据权利要求l、 2、 3、 4或6所述的驱动控制专用厚膜电路，其特征 在于，所述温度检测单元包括第七比较器(E7)、第二三电阻(R23)、第 二八电阻(R28)、第二九电阻(R29)、第三零电阻(R30)、第三一电阻(R31)、 第三二电阻(R32)、第八二极管(D8);第七比较器(E7)的正输入端与第三一电阻(R31)的一端、第三二电阻 (R32)的一端连接，负输入端与第二八电阻(R28)的一端、第二九电阻(R29) 的一端连接，输出端接所述信号处理、逻辑控制与驱动保护单元的与非门(E8) 的一输入端；第八二极管(D8)的正极与第二九电阻(R29)的另一端、第三 零电阻(R30)的一端连接，负极与外接的电流传感器连接；第二三电阻(R23) 的一端接电源，另一端接第七比较器(E7)的输出端；第三一电阻(R31)的 另一端接参考电压源(Vr)，第三二电阻(R32)的另一端接地；第二八电阻 (R28)的另一端接电源；第三零电阻(R30)的另一端接地。
10、 根据权利要求5所述的驱动控制专用厚膜电路，其特征在于，所述基 准电压源单元包括第四电容(C4)、第五电容(C5)、第六电容(C6)和 稳压器(E10);稳压器(E10)的一端接参考电压源(Vr)，另一端接电源，第三端接地； 第四电容(C4)的正极端接稳压器(E10)、第五电容(C5)的一端、电源， 负极端接地；第五电容(C5)的一端接稳压器(E10)、电源，另一端接地； 第六电容(C6)的一端接稳压器(E10)、参考电压源(Vr)，另一端接地。
专利摘要本实用新型公开了一种用于IPM功率开关器件的驱动控制专用厚膜电路，包括第一光电耦合器、第二光电耦合器、信号处理、逻辑控制与驱动保护单元、功率放大单元、驱动控制单元、故障反馈单元、短路检测单元、电流采样单元、温度检测单元；放大后的控制信号进入驱动控制单元，驱动IPM功率开关器件；故障信号经过故障反馈单元反馈后，通过第二光电耦合器隔离后输出；短路检测单元检测IPM功率开关器件的短路故障；电流采样单元通过外接的电流传感器采样IPM功率开关器件的工作电流；温度检测单元通过外接的温度传感器检测IPM功率开关器件的工作温度。采用本实用新型的专用厚膜电路实现了功率开关器件的驱动与保护。
文档编号H02M1/32GK201146457SQ20082007866
公开日2008年11月5日 申请日期2008年1月22日 优先权日2008年1月22日
发明者单绍柱, 曹云翔, 李存信, 李小会, 李满长, 杜吉龙, 王明睿 申请人:北京机械工业自动化研究所