用于驱动直流电机的集成功率模块的制作方法

本实用新型涉及电机驱动技术，更具体地，涉及用于驱动直流电机的集成功率模块。

背景技术：

随着人们对环境的关注，新能源电动车之类的应用越来越受到重视。在这些电动车中广泛地采用蓄电池提供电能，因此，直接采用直流电压驱动的直流电机是电动车的主要动力系统。为了驱动单相或三相直流电机，已经开发出专用的集成功率模块。不仅用于驱动开关管的驱动模块，而且开关管自身都可以集成在单个集成功率模块中，以减少外围元件的数量。

与单相直流电机相比，三相直流电机的功率因数高、电能转换效率高、输出力矩大，从而更加适合于作为电动车的动力系统。因此，可以兼容单相直流电机和三相直流电机的集成功率模块的应用前景更为广阔。

然而，用于三相直流电机的集成功率模块的管脚密集。在双列直插式封装(DIP)或贴片封装(SOP)技术中，DIP23封装形式或SOP23封装形式的集成功率模块包括23个管脚。在将集成功率模块安装在印刷电路板(PCB)上时，通过焊锡将芯片管脚焊接在PCB的焊盘上。焊盘和管脚孔的宽度使得相邻管脚的焊锡之间的间距可能小于工作电压所需的安全距离。结果，集成功率模块的相邻管脚之间可能产生高压电弧放电，从而损坏芯片。

为了解决上述问题，现有的方法是在集成功率模块的管脚上涂敷绝缘胶，使得相邻管脚之间覆盖绝缘胶而彼此绝缘。该方法的缺点是涂敷绝缘胶的工艺生产管控严格才能确保涂敷效果，并且要求PCB和绝缘胶二者均有良好的绝缘特性。采用绝缘胶实现芯片管脚之间的绝缘，导致生产管控的高要求和生产成本增加，并且影响产品的外观。

因此，期望采用新的芯片封装方案，从而在兼容现有封装规格和避免使用绝缘胶的同时，改善管脚之间的绝缘特性。

技术实现要素：

鉴于上述问题，本实用新型的目的在于提供一种用于驱动直流电机的集成功率模块，其中将自举二极管和自举电容内置以满足管脚的绝缘要求。

根据本实用新型的实施例，提供一种用于驱动直流电机的集成功率模块，其特征在于，包括：引线框架，所述引线框架具有多个管芯垫(die pad)和多个管脚；多个驱动模块，所述多个驱动模块分别根据输入信号产生驱动信号；多个开关管，所述多个开关管分别根据各自的驱动信号导通或断开；多个自举网络，所述多个自举网络分别包括自举二极管和自举电容；塑封料，用于覆盖所述多个驱动模块、所述多个开关管和所述多个自举网络，其中，所述多个驱动模块、所述多个开关管和所述多个自举网络的自举二极管和自举电容安装在所述多个管芯垫的相应管芯垫上。

优选地，所述多个驱动模块和所述多个自举网络的自举电容各自安装在独立的管芯垫上，或者共同安装在同一个管芯垫上。

优选地，根据所述集成功率模块的最大工作电压和所述塑封料的绝缘能力确定所述多个自举网络的自举电容与相邻模块或元件的间距。

优选地，所述多个自举网络的自举电容与相邻模块或元件的间距为至少22.8微米。

优选地，所述多个驱动模块、所述多个开关管和所述多个自举网络的自举二极管和自举电容采用焊线实现彼此之间的电连接。

优选地，所述多个管脚位于所述集成功率模块的至少一个侧边的管脚均为低压管脚。

优选地，所述多个管脚中的至少一部分相邻管脚之间的间距为第一间距，所述多个管脚中的至少另一部分相邻管脚之间的间距为第二间距，其中，所述第二间距为所述第一间距的至少2倍。

优选地，所述集成功率模块兼容DIP 23封装和SOP23封装至少之 一。

优选地，所述多个驱动模块的数量为至少两个，以提供至少两个电机驱动信号。

本实用新型的集成功率模块将自举二极管和自举电容内置于封装中，利用塑封料的绝缘性能符合电气安规的要求，因而不需要使用附加的绝缘胶覆盖集成功率模块的管脚。

由于将原来PCB上的自举网络封装到集成功率模块内，该集成功率模块减少了管脚数量。该集成功率模块的其余管脚的分布和尺寸仍然符合现有的封装规格。因而解决了现有集成功率模块紧凑型的小体积封装设计需求和在工作中由于高低压引脚间距小于电气安规的矛盾。

在优选的实施例中，至少一部分相邻管脚由于去除二者之间的管脚而增大间距，进一步改善管脚之间的绝缘性能以满足电气安规的要求。

在优选的实施例中，集成功率模块的至少一个侧边的所有管脚均为低压管脚。由于集成功率模块的管脚分布的改变，可以避免高压管脚和低压管脚彼此相邻，进一步改善管脚之间的绝缘性能以满足电气安规的要求。

附图说明

通过以下参照附图对本实用新型实施例的描述，本实用新型的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。

图1示出用于驱动直流电机的集成功率模块的电路原理图。

图2a和2b分别示出根据现有技术的集成功率模块的外部结构图和内部透视图。

图3a和3b分别示出根据本实用新型实施例的集成功率模块的外部结构图和内部透视图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本实用新型。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，可能未示出某些公知的部分。

在下文中描述了本实用新型的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本实用新型。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本实用新型。

本实用新型可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。

图1示出用于驱动直流电机的集成功率模块的电路原理图。作为示例，该集成功率模块包括微控制单元MCU和第一至第三驱动模块U1至U3。第一至第三驱动模块U1至U3分别具有供电端VCC、公共地端COM、高侧驱动悬浮供电端VB、高侧驱动偏置电压地VS、高侧信号输入端HIN、低侧信号输入端LIN、高侧信号输出端HO、以及低侧信号输出端LO。

参见图1，第一电源电压VCC经电容C1滤波，然后分别经电容C12、电容C22和C32滤波，分别提供至第一至第三驱动模块U1至U3的供电端VCC。第一至第三驱动模块U1至U3的公共地端COM连接至公共地。第一至第三驱动模块U1至U3可以独立地控制两个串联开关管的导通和断开。采用第一至第三驱动模块U1至U3中的两个，可以将电源VDC的第二电源电压提供给单相直流电机。采用第一至第三驱动模块U1至U3中的三个，可以将电源VDC的第二电源电压提供给三相直流电机。滤波电容Cdc并联连接在电源VDC两端，用于对第二电源电压进行滤波。

第一至第三驱动模块U1至U3的电路结构和工作方式类似，因此仅以第一驱动模块U1为例说明集成功率模块的工作原理。

微控制单元MCU向第一驱动模块U1的高侧信号输入端HIN和低侧信号输入端LIN分别提供第一和第二脉宽调制(PWM)信号。电阻R11和电容C14组成滤波网络，连接至高侧信号输入端HIN，用于对第一PWM信号进行滤波。电阻R12和电容C13组成滤波网络，连接至低侧信号输入端LIN，用于对第二PWM信号进行滤波。第一驱动模块U1根据第一和第二PWM信号产生第一和第二栅极驱动信号，并且经由高侧信号输出端HO将第一栅极驱动信号提供给第一开关管Q11，经由低侧信号输出端LO将第二栅极驱动信号提供给第二开关管Q12。第一开 关管Q11和第二开关管Q12彼此串联连接在电源VDC之间。优选地，第一开关管Q11与二极管D11反向并联，第二开关管Q12与二极管D12反向并联。

第一自举网络包括连接在第一驱动模块的高侧驱动悬浮供电端VB和高侧驱动偏置电压地VS之间的自举电容C11、以及连接在供电端VCC和高侧驱动悬浮供电端VB之间的自举二极管D13。在集成功率模块上电期间，供电端VCC的电源电压经由自举二极管D13向自举电容C11充电，从而在高侧驱动悬浮供电端VB和高侧驱动偏置电压地VS之间产生第一开关管Q11的偏置电压VB1。在高侧驱动悬浮供电端VB处于高压时，自举二极管D13防止电流倒灌至供电端VCC损伤低压端。

第一电流反馈网络包括连接在第二开关管Q12和地之间的电流采样电阻R51，以及由电阻R41和电容C41组成的滤波网络。在电流采样电阻R51上获得的电流采样信号经由滤波网络提供给微控制单元MCU，从而可以实时检测流过第二开关管Q12的电流，以防止过流的发生。

在集成功率模块的工作期间，第一驱动模块U1的高侧信号输入端HIN接收第一PWM信号，低侧信号输入端LIN接收第二PWM信号，高侧信号输出端HO产生第一驱动信号，低侧信号输出端LO产生第二驱动信号。

在第一驱动信号和第二驱动信号的控制下，第一开关管Q11和第二开关管Q12交替导通和断开。在第一种情形下，第一开关管Q11导通,且第二开关管Q12断开。第一开关管Q11、直流电机M的一相绕组、另一个驱动模块的第二开关管(例如第二驱动模块U2的第二开关管Q22)之间形成正向的电流路径。在第二种情形下，第一开关管Q11断开，且第二开关管Q12导通。第二开关管Q12、直流电机M的一相绕组、另一个驱动模块的第一开关管(例如第二驱动模块U2的第一开关管Q21)之间形成反向的电流路径。

第一驱动模块U1的第一开关管Q11和第二开关管Q12的中间节点作为第一输出端。第二驱动模块U2的第一开关管Q21和第二开关管Q22的中间节点作为第二输出端。第三驱动模块U3的第一开关管Q31和第二开关管Q32的中间节点作为第三输出端。

三相直流电机连接在第一至第三输出端上，从而在第一至第三驱动模块U1至U3的驱动下工作。

图2a和2b分别示出根据现有技术的集成功率模块的外部结构图和内部透视图。根据该现有技术，如图1所示的电路封装成一个集成功率模块，其中包含第一至第三驱动模块U1至U3及开关管Q11、Q12、Q21、Q22、Q31和Q32。微控制单元MCU作为该芯片的外部控制器，直流电机M作为该芯片的负载。第一至第三驱动模块的自举二极管和自举电容作为该芯片的外围元件。

如图2a所示，该集成功率模块110为DIP23封装形式或SOP23封装形式，包括23个管脚，相邻管脚的设计间距D例如为1.178毫米。在将集成功率模块110安装在印刷电路板(PCB)150上时，通过焊锡将芯片管脚121焊接在PCB 150的焊盘151上。

在PCB 150还设置有第一驱动模块U1的第一自举网络161、第二驱动模块U2的第二自举网络162、第三驱动模块U3的第三自举网络163。第一自举网络161包括自举二极管D13和自举电容C11。第二自举网络162包括自举二极管D23和自举电容C21。第三自举网络163包括自举二极管D33和自举电容C31。

由于集成功率模块110的管脚121焊接在PCB 150的焊盘151上，因此，PCB 150上的管脚孔和焊盘151以及焊锡均占据一定的面积，根据实际测量的结果，相邻管脚之间的实际间距就只有0.63毫米。

集成功率模块110的管脚序号和管脚名称如下表所示。

表1.集成功率模块的管脚序号和管脚名称

集成功率模块110的电源电压例如为220V。在管脚编号1～16中，其中有3个管脚2、7、12是高压管脚，例如工作电压为500V以上，其余管脚都是低压管脚，例如工作电压为30V以下。管脚2、7、12在工作的时候工作电压通常大于500V。依据安规规范，相邻管脚间的安全间距至少是1.0mm，但是实际间距只有0.63mm，这样就不符合电气安规要求，低压管脚容易被工作中的高压电弧击穿打坏芯片，存在极大的风险。

为了解决这个风险，现有的手段是在PCB上涂装绝缘胶，使得高压管脚和低压管脚绝缘，以此规避高压电损伤芯片。正如已经指出的那样， 采用绝缘胶实现芯片管脚之间的绝缘，导致生产管控的高要求和生产成本增加，并且影响产品的外观。

图3a和3b分别示出根据本实用新型实施例的集成功率模块的外部结构图和内部透视图。根据该实施例，如图1所示的电路封装成一个集成功率模块，其中包含第一至第三驱动模块U1至U3及开关管Q11、Q12、Q21、Q22、Q31和Q32。微控制单元MCU作为该芯片的外部控制器。

与图2a和2b所示的现有技术不同，根据该实施例的集成功率模块内置第一至第三驱动模块的自举二极管和自举电容，并且改变芯片封装结构。

如图3a所示，该集成功率模块210为DIP23封装形式或SOP23封装形式，但仅仅包括20个管脚。一部分管脚的设计间距D例如为1.178毫米，另一部分管脚的设计间距D例如大于3毫米。由于自举网络内置在芯片中，因此，可以避免高压管脚和低压管脚彼此相邻。

在将集成功率模块210安装在印刷电路板(PCB)150上时，通过焊锡将芯片管脚221焊接在PCB 150的焊盘151上。由于集成功率模块210的管脚221焊接在PCB 150的焊盘151上，因此，PCB 150上的管脚孔和焊盘151以及焊锡均占据一定的面积。彼此相邻的一部分管脚之间的实际间距就只有0.63毫米，另一部分管脚之间由于去除二者之间的管脚，因此实际间距例如大于1.2毫米。

集成功率模块210的管脚序号和管脚名称如下表所示。

表2.集成功率模块的管脚序号和管脚名称

集成功率模块210的电源电压例如为220V。在管脚编号1～13中，所有管脚低压管脚，例如工作电压为30V以下。自举网络内置在芯片中，由塑封料覆盖。根据集成功率模块210的最大工作电压和塑封料的绝缘能力确定元件间距。例如，在塑封料的绝缘能力为22KV/mm的情形下，自举电容与邻近芯片间距至少22.8微米就可以保证工作电压500V的电气安规,自举电容与邻近芯片间距至少27.2微米就可以保证工作电压600V的电气安规。

如图3b所示，在集成功率模块210中内置第一驱动模块U1的第一自举网络、第二驱动模块U2的第二自举网络、第三驱动模块U3的第三自举网络。第一自举网络包括自举二极管D13和自举电容C11。第二自举网络包括自举二极管D23和自举电容C21。第三自举网络包括自举二 极管D33和自举电容C31。

集成功率模块210包括引线框220。该引线框220包括20个管脚221、以及管芯垫222和223。第一至第三驱动模块U1至U3、以及自举电容C11、C21和C31帖装在同一个管芯垫222上。例如，可以使用绝缘银浆，将电容固定于管芯垫上。替代地，第一至第三驱动模块U1至U3、以及自举电容C11、C21和C31可以分别帖装在各自的管芯垫上。自举二极管D13、D23和D33帖装在各自的管芯垫223上。例如，可以使用绝缘银浆，将二极管固定于管芯垫上。

在集成功率模块210中，第一至第三驱动模块U1至U3、以及自举电容C11、C21和C31、以及自举二极管D13、D23和D33、以及第一开关管Q11、Q21、Q31和第二开关管Q12、Q22、Q32之间可以采用金线焊线225以实现彼此之间的电连接。相应地，自举电容C11、C21和C31选择带镀金焊头的贴片电容，有利于使用金线焊线连接。

在该实施例中，由于将自举网络中的自举电容放置到芯片内，利用第一至第三驱动模块U1至U3的管芯垫，放置于旁边。根据所述集成功率模块的最大工作电压和所述塑封料的绝缘能力确定自举电容C11、C21和C31与相邻模块或元件的间距，以保证符合电气安规的要求。该间距例如至少22.8微米。

进一步地，由于自举电容C11、C21和C31以及自举二极管D13、D23和D33均内置于芯片中，因此，第一至第三驱动模块U1至U3的高侧驱动悬浮供电端VB不需要提供单独的管脚，而是将该管脚相关的电连接采用芯片封装内的金线焊线来提供。与图2b所示的现有技术的封装结构相比，根据该实施例的芯片封装结构省去了3个管脚VBU、VBV和VBW，从而在集成功率模块210的一个侧边设置的管脚1～13均为低压管脚，避免了低压管脚和高压管脚彼此相邻。彼此相邻的一部分管脚之间的实际间距为0.63毫米，另一部分管脚之间由于去除二者之间的管脚，因此实际间距例如大于1.2毫米。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且， 术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

依照本实用新型的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化，包括但不限于对电路的局部构造的变更、对元器件的类型或型号的替换。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本实用新型以及在本实用新型基础上的修改使用。本实用新型仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。