智能功率模块、空调器的制作方法

本发明涉及电源技术领域，具体涉及一种智能功率模块、空调器。

背景技术：

智能功率模块(Intelligent Power Module，IPM)是一种利用电力电子器件和集成电路输出预设电压和预设功率的功率驱动产品。实际应用中，智能功率模块与微控制单元(Microcontroller Unit，MCU)配合使用，即该智能功率模块一方面接收MCU的控制信号驱动后续电路工作，另一方面将后续电路的检测信号反馈给MCU，以方便MCU调整控制信号。上述智能功率模块由于集成度高、可靠性高等优势在适合于驱动电机的变频器及各种逆变电源(例如变频调速、冶金机械、电力牵引、伺服驱动、变频家电等)等领域得到广泛应用。

为保证其正常工作，智能功率模块中通常设置有过电压、过电流和过热等故障检测电路。该故障检测电路的工作性能将影响到智能功率模块以及后续电路的工作可靠性。下面以上述智能功率模块应用于变频空调为例进行说明。

如图1(A)和图1(B)所示，电阻138作为过电流故障检测电路的一部分，MCU检测电阻138的电压变化并控制该智能功率模块100的工作状态：

当电阻138的电压值小于某一电压预设值即流过智能功率模块100的电流小于某一预设电流值时，说明该智能功率模块100处于安全工作状态，MCU200的PIN1～PIN6管脚输出正常控制信号，控制智能功率模块100正常工作。

当所述电阻138的电压值大于某一电压预设值即流过智能功率模块100的电流大于某一预设电流值时，说明该智能功率模块100存在过负荷工作异常发热的风险，此时，MCU200的PIN1～PIN6管脚同时输出低电平，控制所述智能功率模块100停止动作。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明实施例提供一种智能功率模块、空调器，以解决现有技术中智能功率模块预设电压值或者预设电流值设置过低，导致该智能功率模块所驱动后续电路过早停止工作的技术问题。

第一方面，本发明提供了一种智能功率模块，包括功率驱动电路，还包括调整电路和电流采样电路；其中，

所述电流采样电路连接所述功率驱动电路，用于采集所述功率驱动电路的实时电流值并转换成实时电压值；

所述调整电路分别连接所述电流采样电路和所述功率驱动电路，用于生成预设电压值，并比较所述预设电压值和所述实时电压值以生成开关控制信号发送给所述功率驱动电路。

可选地，所述电流采样电路包括第一电阻；所述第一电阻的第一端通过所述电流采样电路的第一端连接所述功率驱动电路的U相低电压参考端、V相低电压参考端、W相低电压参考端和所述调整电路的输入端，所述第一电阻的第二端通过所述电流采样电路的第二端连接公共电压端。

可选地，所述调整电路具有第一电源端、第二电源端、输入端和输出端；其中，

所述电流采样电路的第一端连接所述调整电路的输入端，所述电流采样电路的第二端连接公共电压端；

所述调整电路的第一电源端连接供电电源，所述调整电路的第二电源端连接所述公共电压端，所述调整电路的输出端连接所述功率驱动电路。

可选地，所述调整电路包括调整单元和比较单元；

所述调整单元连接所述调整电路的第一电源端和第二电源端，用于根据所处温度变化输出不同幅值的预设电压值至所述比较单元；

所述比较单元连接所述调整电路的输入端和输出端，用于比较该调整电路的输入端接收的实时电压值和所述预设电压值以生成开关控制信号。

可选地，所述调整单元包括第二电阻、第三电阻和第四电阻；

所述第二电阻的第一端连接所述调整电路的第一电源端，所述第二电阻的第二端连接所述第三电阻的第一端；

所述第四电阻的第一端连接所述第三电阻的第二端，所述第四电阻的第二端连接所述调整电路的第二电源端。

可选地，所述第三电阻为负温度系数热敏电阻；或者，所述第二电阻为正温度系数热敏电阻；或者，所述第三电阻为负温度系数热敏电阻并且所述第二电阻为正温度系数热敏电阻。

可选地，所述比较单元包括运算放大器；所述运算放大器的反相输入端连接所述电流采样电路的第一端，所述运算放大器的正相输入端连接所述调整单元中第三电阻的第一端，所述运算放大器的输出端连接所述调整电路的输出端。

第二方面，本发明实施例还提供了一种空调器，包括第一方面所述的智能功率模块。

由上述技术方案可知，本发明实施例通过在智能功率模块中设置调整电路和电流采样电路，利用电流采样电路该功率驱动电路的实时电流值并转换成实时电压值，利用调整电路生成预设电压值，并比较预设电压值和实时电压值以生成开关控制信号发送给所述功率驱动电路，这样功率驱动电路可以输出相应的电流及功率。与现有技术相比较，本发明实施例中智能功率模块可以调整其电流保护点即根据智能功率模块或其驱动后续电路所处环境的情况设置预设电流值的大小。例如智能功率模块工作在较大电流下仍然安全时，智能功率模块可以将预设电压值调高，否则调低，从而可以调整智能功率模块的有效工作范围，从而避免停止工作所带来的用户体验低以及增大电流余量所带来成本增加的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1(A)～图1(B)是现有技术中智能功率模块的电路结构图；

图2是本发明实施例提供的一种智能功率模块的电路结构图；

图3是图2所示智能功率模块的电路图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1(A)和图1(B)所示，现有技术中智能功率模块100的电路结构图，包括高压集成电路芯片(High Voltage Integrated Circuit，HVIC管)110、晶体管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)(图1(A)中标号121～126所示)及其快恢复二极管(Fast Recovery Diode，FRD)(图1(A)中标号111～116所示)。

参见图1(A)，HVIC管110的VCC端连接智能功率模块100的供电电源正端VDD(VDD处电压一般为设置15V)。

HVIC管110的HIN1端连接智能功率模块100的U相上桥臂输入端UHIN，在HVIC管110内部连接UH驱动电路101的输入端。

HVIC管110的HIN2端连接智能功率模块100的V相上桥臂输入端VHIN，在HVIC管110内部连接VH驱动电路102的输入端。

HVIC管110的HIN3端连接智能功率模块100的W相上桥臂输入端WHIN，在HVIC管110内部连接WH驱动电路103的输入端。

HVIC管110的LIN1端连接智能功率模块100的U相下桥臂输入端ULIN，在HVIC管110内部连接UL驱动电路104的输入端。

HVIC管110的LIN2端连接智能功率模块100的V相下桥臂输入端VLIN，在HVIC管110内部连接VL驱动电路105的输入端。

HVIC管110的LIN3端连接智能功率模块100的W相下桥臂输入端WLIN，在HVIC管110内部连接WL驱动电路106的输入端。

实际应用中，该智能功率模块100的U、V、W三相的六路输入接收0V或5V的输入信号。当然，根据实际需要还可以接收其他电压幅值的输入信号。可理解的是，上述输入信号的幅值可以根据电路的实际器件进行选择。

HVIC管110的GND端连接智能功率模块100的供电电源负端COM，并分别连接UH驱动电路101、VH驱动电路102、WH驱动电路103、UL驱动电路104、VL驱动电路105、WL驱动电路106的供电电源负端(图中未示出)。

HVIC管110的VB1端连接UH驱动电路101的供电电源正端(输出侧)，在HVIC管110外部连接电容131的一端，并连接智能功率模块100的U相供电电源正端UVB(输出侧)。

HVIC管110的HO1端连接UH驱动电路101的输出端，并连接U相上桥臂晶体管IGBT121的栅极。

HVIC管110的VS1端连接UH驱动电路101的供电电源负端(输出侧)，并且连接晶体管IGBT121的射极、FRD管111的阳极、U相下桥臂晶体管IGBT124的集电极、FRD管114的阴极和电容131的另一端。此外，该VS1端还连接智能功率模块100的U相供电电源负端UVS(输出侧)。

HVIC管110的VB2端连接VH驱动电路102的供电电源正端(输出侧)，以及连接电容132的一端。此外，该VB2端还连接智能功率模块100的U相供电电源正端VVB(输出侧)。

HVIC管110的HO2端连接VH驱动电路102的输出端，以及连接V相上桥臂晶体管IGBT123的栅极。

HVIC管110的VS2端连接VH驱动电路102的供电电源负端，以及连接晶体管IGBT122的射极、FRD管112的阳极、V相下桥臂晶体管IGBT125的集电极、FRD管115的阴极和电容132的另一端。此外，该VS2端还连接智能功率模块100的W相供电电源负端VVS(输出侧)。

HVIC管110的VB3端连接WH驱动电路103的供电电源正端(输出侧)，以及连接电容133的一端。此外，该VB3端还连接智能功率模块100的W相供电电源正端WVB。

HVIC管110的HO3端连接WH驱动电路101的输出端，以及连接W相上桥臂晶体管IGBT123的栅极。

HVIC管110的VS3端连接WH驱动电路103的供电电源负端(输出侧)，以及连接晶体管IGBT123的射极、FRD管113的阳极、W相下桥臂晶体管IGBT126的集电极、FRD管116的阴极和电容133的另一端。此外该VS3端还连接智能功率模块100的W相供电电源负端WVS(输出侧)。

HVIC管110的LO1端连接晶体管IGBT124的栅极。

HVIC管110的LO2端连接晶体管IGBT125的栅极。

HVIC管110的LO3端连接晶体管IGBT126的栅极。

晶体管IGBT124的射极连接FRD管114的阳极，以及连接智能功率模块100的U相低电压参考端UN。

晶体管IGBT125的射极连接FRD管115的阳极，以及连接智能功率模块100的V相低电压参考端VN。

晶体管IGBT126的射极连接FRD管116的阳极，以及连接智能功率模块100的W相低电压参考端WN。

晶体管IGBT121的集电极分别连接FRD管111的阴极、晶体管IGBT122的集电极、FRD管112的阴极、晶体管IGBT123的集电极和FRD管113的阴极，以及连接智能功率模块100的输入端P。输入端P处电压一般设置为300V。

上述HVIC管110的采用以下连接方式：

VDD端为HVIC管110的供电电源正端，GND端为HVIC管110的供电电源负端；VDD端与GND端之间电压一般设置为15V。

VB1端和VS1端为U相供电电源的正极和负极，HO1为U相电源输出端。VB2端和VS2端为V相供电电源的正极和负极，HO2为V相电源输出端。VB3端和VS3端为U相供电电源的正极和负极，HO3为W相电源输出端。LO1、LO2、LO3分别为U相、V相、W相低压区的输出端。

当HIN1端、HIN2端、HIN3端和LIN1端、LIN2端、LIN3端输入0或5V的输入信号时，然后经过UH驱动电路、VH驱动电路、WH驱动电路、UL驱动电路、VL驱动电路、WL驱动电路输出至HO1端、HO2端、HO3端和LO1端、LO2端、LO3端。其中，HO1端处输出信号等于VS1端处输出信号，或者等于VS1端处输出信号+15V的和。HO2端处输出信号等于VS2端处输出信号，或者等于VS2端处输出信号+15V的和。HO3端处输出信号等于VS3端处输出信号，或者等于VS3端处输出信号+15V的和。LO1端、LO2端、LO3端处为0或15V的输出信号。

需要说明的是，上述HIN1端处和LIN1端处，HIN2端处和LIN2端处，HIN3端处和LIN3端处不能同时为高电平，即同一相的两个端子处不能同时为高电平。

如图1(B)所示，上述智能功率模块的具体电路结构。其中，UVB端与UVS端之间连接电容135，VVB端与VVS端之间连接电容136，WVB端与WVS端之间连接电容137。上述电容135、136、137用于存储电量。在UVB端与UVS端之间连接电容133，VVB端与VVS端之间连接电容132，WVB端与WVS端之间连接电容131，用于滤波。

UN端、VN端、WN端连接电阻138的一端，然后连接MCU200的管脚Pin7。上述电阻138的另一端接公共电压端COM。

另外，MCU200的管脚Pin1连接智能功率模块100的UHIN端；MCU200的管脚Pin2连接智能功率模块100的VHIN端；MCU200的管脚Pin3连接智能功率模块100的WHIN端；MCU200的管脚Pin4连接智能功率模块100的ULIN端；MCU200的管脚Pin5连接智能功率模块100的VLIN端；MCU200的管脚Pin6连接智能功率模块100的WLIN端。

以U相为例说明智能功率模块100的工作过程：

1、当MCU200的管脚Pin4处为高电平信号时，这时MCU200的管脚Pin1处必须为低电平信号，从而使LIN1端处为高电平、HIN1端处为低电平。这时，LO1端处为高电平而HO1端处为低电平，从而晶体管IGBT124导通而晶体管IGBT121截止，VS1端处电压约为0V。此时，VCC端向电容133及电容135充电，当时间足够长或使电容133及电容135充电前的剩余电量足够多时，VB1端与VS1端之间电压接近15V。

2、当MCU200的管脚Pin1处为高电平信号，这时MCU200的管脚Pin4处必须为低电平信号，从而使LIN1端处为低电平、HIN1端处为高电平。这时，LO1端处为低电平而HO1端处为高电平，从而晶体管IGBT124截止而晶体管IGBT121导通，从而VS1端处电压约为300V，VB1端处电压被抬高到315V左右，通过电容133及电容135的电量，维持U相处于高电压状态。U相处于高电压状态时，若HIN1端处为高电平的持续时间足够短或电容133及电容135存储的电量足够多，VB1端与VS1端之间电压可保持在14V以上。

实际应用中，例如上述智能功率模块应用于变频空调器时，根据空调器所处环境变化，MCU检测电阻138的电压变化调整控制智能功率模块100的工作状态：

当电阻138的电压值小于某一特定值，即流过智能功率模块100的电流小于某一特定值时，证明智能功率模块100处于安全工作状态，MCU200的管脚PIN1～PIN6端输出正常控制信号，控制智能功率模块100正常工作；

当电阻138的电压值大于某一特定值，即流过智能功率模块100的电流大于某一特定值时，证明智能功率模块100存在过负荷工作异常发热的风险，MCU200的PIN1～PIN6端同时输出低电平，控制智能功率模块100停止动作。

可见，为保证上述智能功率模块的正常工作，需要将预设电流值或者预设电压值设置得比较低，由于空调器所处环境经常发生变化，导致功率模块过早停止工作，降低了用户体验。或者，提高上述智能功率模块中的晶体管IGBT的电流能力，这样又会大幅增加智能功率模块的原材料成本，不利于变频家电的普及使用。

图2和图3示出了本发明实施例提供的一种智能功率模块的电路图。参见图2和图3，本发明实施例中智能功率模块包括功率驱动电路、调整电路和电流采样电路。其中，

电流采样电路连接功率驱动电路，用于采集功率驱动电路的实时电流值并转换成实时电压值；

调整电路分别连接电流采样电路和功率驱动电路，用于生成预设电压值，并比较预设电压值和实时电压值以生成开关控制信号发送给功率驱动电路

需要说明的是，本发明实施例中功率驱动电路同样包括晶体管IGBT(图3中标号4121～4126所示)、FRD管(图3中标号4111～4116)、UVW三相驱动电路(图3中标号4101～4106所示)以及电容(图3中标号4131～4133所示)，上述各器件的连接关系与图1中功率驱动电路的连接关系相同。即该部分内容为现有技术中，本领域技术人员可以参考本发明实施例中对图1(A)或者图1(B)的描述，在此不再赘述。

下面着重介绍本发明实施例中电流采样电路和调整电路。

参见图3，本发明一实施例中，电流采样电路包括第一电阻4301。该第一电阻4301的第一端连接功率驱动电路的U相低电压参考端UN、V相低电压参考端VN、W相低电压参考端VN和调整电路的输入端ITRIP，第一电阻4301的第二端连接公共电压端COM。本发明实施例中上述公共电压端连接地GND。

参见图3，本发明一实施例中，调整电路具有第一电源端、第二电源端、输入端和输出端；其中，

调整电路的输入端连接电流采样电路的第一端，调整电路的第一电源端连接供电电源VDD，调整电路的第二电源端连接公共电压端COM，调整电路的输出端连接功率驱动电路。

更具体地，本发明一实施例中该调整电路包括调整单元4302和比较单元。其中，

上述比较单元包括运算放大器4107。该运算放大器4107的反相输入端连接电流采样电路的第一端(即第一电阻4301的第一端)，运算放大器4107的正相输入端连接调整单元4302中第三电阻4306的第一端，运算放大器4107的输出端连接调整电路的输出端。参见图3，该调整电路的输出端分别连接UH驱动电路、VH驱动电路、WH驱动电路、UL驱动电路、VL驱动电路、WL驱动电路的控制端(或者使能端)。

调整单元4302包括第二电阻4303、第三电阻4306和第四电阻4308。第二电阻4303的第一端连接调整电路的第一电源端即连接供电电源VDD，第二电阻4303的第二端连接第三电阻4306的第一端。第四电阻4308的第一端连接第三电阻4306的第二端，第四电阻4308的第二端公共电压端COM。

该调整电路的工作原理为：

当供电电源VDD与公共电压端恒定时，由于第二电阻4303、第三电阻4306和第四电阻4308串联分压，会在第三电阻4306的第一端生成预设电压值作为调整单元的输出电压，通过VTRIP端输入到运算放大器的正相输入端。

实际应用中，由于该智能功率模块及其所驱动的后续电路所处环境会发生变化，与其相关性最大的就是环境温度。为使调整电路输出的预设电压值随之发生相应的变化，本发明实施例中第三电阻为负温度系数热敏电阻；或者，第二电阻为正温度系数热敏电阻；或者，所述第三电阻为负温度系数热敏电阻并且所述第二电阻为正温度系数热敏电阻。

需要说明的是，上述负温度系数热敏电阻是指，随着温度的变化其阻值线性减小或者发生可预知的减小。上述正温度系数热敏电阻是指，随着温度的变化其阻值线性增大或者发生可预知的增大。

此时该调整电路的工作原理为：

当供电电源VDD与公共电压端恒定时，由于第二电阻4303、第三电阻4306和第四电阻4308串联分压，会在第三电阻4306的第一端生成预设电压值作为调整单元的输出电压，通过VTRIP端输入到运算放大器的正相输入端。

当该智能功率模块及其所驱动的后续电路所处环境会发生变化，第二电阻4303和/或第三电阻4306的阻值发生相应的变化，使调整单元的输出端所输出的预设电压值按照预设方向变化。例如当所处环境的温度变高时，预设电压值越小即过流保护点越低；或者，当所处环境的温度变低时，预设电压值越大即过流保护点越高。

然后运算放大器4107再比较第一电阻4301采集的实时电压值和上述预设电压值。V_ITRIP<V_VTRIP(包含相等)时，运算放大器4107输出端输出高电平，此时UH驱动电路、VH驱动电路、WH驱动电路、UL驱动电路、VL驱动电路、WL驱动电路正常输出脉冲信号驱动晶体管IGBT4121～4126正常导通与关断，此时智能功率模块根据后续电路的实际需求输出电压及功率。V_ITRIP>V_VTRIP时，运算放大器4107输出端输出低电平，此时UH驱动电路、VH驱动电路、WH驱动电路、UL驱动电路、VL驱动电路、WL驱动电路的控制端(或者使能端)有效，无法输出开关控制信号。同时UHIN端、VHIN端、WHIN端、ULIN端、VLIN端、WLIN端同时输入信号0。

为验证本发明提供的智能功率模块的优越性，下面以一款驱动稀土压缩机，能够提供15A电流能力的智能功率模块为例进行说明。

第一电阻4301设置为33mΩ，则当流过第一电阻4301的电流为15A时，ITRIP端处的实时电压值为0.5V；

因为稀土压缩机在温度越高时压缩机的退磁电流越小，所以过流保护点应随着温度的升高而降低，则进行如下设置：

第二电阻4303设置为64kΩ。第二电阻4306设置为NTC电阻(Negative Temperature Coefficient，负温度系数电阻)且该NTC电阻具有随温度上升电阻值呈指数关系减小的特性，该NTC电阻在25℃时电阻值为2kΩ，温度为50℃时阻值为1.75kΩ，温度为75℃时阻值为1.55kΩ。第四电阻4308设置为0.2Kω。

(1)在25℃时，VTRIP端处的预设电压值为：

15×(2+0.2)/(64+2+0.2)＝0.5V；

这样可以使智能功率模块4100在温度为25℃的过流保护点为15A。

在50℃时，VTRIP端处的预设电压值为：

15×(1.75+0.2)/(64+1.75+0.2)＝0.45V；

该智能功率模块4100在温度为50℃的过流保护点为：

0.45/0.033＝13.5A。

在75℃时，VTRIP端处的预设电压值为：

15×(1.55+0.2)/(64+1.55+0.2)＝0.40V

该智能功率模块4100在温度为75℃的过流保护点为：

0.40/0.033＝12.1A。

可见，本发明实施例中通过设置调整电路，可以使该功率驱动模块随着环境温度越高其过流保护点越低的目的，使压缩机达到退磁电流前智能功率模块提前触发保护，确保正常工作。

第二方面，本发明实施例还提供了一种空调器，包括本发明实施例一提供智能功率模块。

综上所述，本发明实施例提供的智能功率模块、空调器，通过在智能功率模块中增加调整电路和电流采样电路，并且使电流采样电路连接功率驱动电路，调整电路分别连接所述电流采样电路和所述功率驱动电路。在上述电路基础之上，电流采样电路可以采集所述功率驱动电路的实时电流值并转换成实时电压值；调整电路生成预设电压值，并比较所述预设电压值和所述实时电压值生成高电平或者低电平信号发送给功率驱动电路。本发明实施例中智能功率模块可以动态调整其电流保护点即根据智能功率模块或其驱动后续电路所处环境的情况设置预设电流值的大小，例如在智能功率模块工作在较大的电流下仍然安全时，智能功率模块可以根据控制信号将预设电流值调高，否则调低。可见，本发明实施例通过调整预设电流值，可以调整智能功率模块的有效工作范围，从而避免停止工作所带来的用户体验低以及增大电流余量所带来成本增加的问题。

需要说明的是，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。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，其本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。