一种智能Mosfet功率装置的制作方法

本实用新型涉及电子电路领域，尤其涉及一种智能Mosfet功率装置。

背景技术：

目前，在当前的工业用低压大电流输出整流器应用上，用于输出整流、输出换向的器件普遍使用的是肖特基二极管、快速恢复二极管、可控硅等几种功率器件。上述器件皆为压降性器件，电流流过该器件则产生固定的压降，压降大小就决定了该器件的功耗大小。

进口的低压降大功率肖特基二极管压降普遍在0.65V-0.75V之间。若通过1500A电流，则在整流二极管部分会产生的热功率为：

0.75V×1500A＝1125W

该热量的耗失，使在大功率应用上损失大量的电能、高昂的散热费用以及庞大的散热器体积增加整流器的整体体积。

在现有的Mosfet模块中，普遍能够长期带载的电流在300A以下。而且不带有驱动电路，以及内部保护电路。在大电流使用时，需要进行多只并联使用。

因此，现有的技术存在以下缺陷：

均流控制困难，驱动电路复杂，器件保护成本高，散热结构设计困难，占用空间大等问题。导致Mosfet模块在大功率工业应用上举步维艰。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本实用新型的目在于提供一种智能Mosfet功率装置，以实现减少热损耗，同时简化驱动电路且降低成本的优点。

本实用新型的目的采用如下技术方案实现：

一种智能Mosfet功率装置，包括基底、绝缘板、智能驱动及保护线路板和 Mosfet芯片阵列，所述绝缘板设置在基底上，所述Mosfet芯片阵列设置在绝缘板上，所述智能驱动及保护线路板设置在基底上，且该智能驱动及保护线路板与Mosfet芯片阵列电连接。

进一步地，所述基底为全铜基底，所述绝缘板为氧化铝陶瓷板。

进一步地，所述全铜基底作为电流通道以及散热基底；

所述氧化铝陶瓷板：为Mosfet芯片阵列与全铜基底之间提供一层绝缘低热阻的过渡通道，并提供低阻抗的导电通道；

所述智能驱动及保护线路板：为Mosfet装置提供装置内的隔离正反压驱动信号，以及装置内部的温度保护及故障反馈信号。

进一步地，还包括，绝缘填充层和外壳，所述绝缘填充层覆盖在Mosfet芯片阵列上，上述基底、绝缘板、智能驱动及保护线路板和Mosfet芯片阵列均封装在外壳内。

进一步地，所述绝缘填充层采用高分子硅胶材料，提供绝缘、低热阻的运行环境。

进一步地，智能驱动及保护线路板，包括正负压产生电路、隔离驱动电路、栅极驱动保护电路和温度保护监测电路，所述正负压产生电路、隔离驱动电路、栅极驱动保护电路和温度保护监测电路均与Mosfet芯片阵列电连接。

进一步地，所述正负压产生电路，包括电阻R1、电阻R2、电容C1、电容 C2、电容C3、电容C4、电容C7、电容C8、电容C9和二极管D1，所述电容C2串联在电源VCC与地之间，所述电容C3与电容C2并联，所述电容C4与电容C3并联，所述电阻R1与电容C8组成的串联电路与电容C4并联，所述电容C7与电容C8并联，所述电容C9与电容C7并联，所述电阻R2与二极管D1 组成的串联电路与电容C4并联，所述电阻R2与二极管D1的阴极串联，所述电容C1与电阻R2并联。

进一步地，所述隔离驱动电路，包括，光耦芯片U1、三极管Q1、三极管 Q2、二极管D2、二极管D3、电阻R3、电阻R5和电阻R4，所述电阻R5连接在光耦芯片U1的两个输入端之间，所述二极管D3与电阻R5并联，所述电阻 R3的一端与二极管D3的阴极连接，所述电阻R3的另一端与二极管D2的阴极连接，所述光耦芯片U1的输出端与三极管Q1的基极之间串联电阻R4，所述三极管Q1的基极与三极管Q2的基极连接，所述三极管Q1的发射极与三极管Q2 的发射极连接，所述三极管Q1的集电极与电源的VCC端连接，所述三极管Q2 的集电极与地连接。

进一步地，所述栅极驱动保护电路，包括二极管D4、电阻R6、电阻R7和 TVS二极管D5，所述电阻R6与电阻R7串联，所述TVS二极管D5与电阻R7 并联，所述二极管D4与电阻R6并联。

进一步地，所述温度保护监测电路，包括热敏电阻R11、电阻R10、电容 C5、电阻R8、电阻R9、可控精密稳压芯片U3和光耦芯片U2，所述电阻R10 和热敏电阻R11串联在电源VCC和地之间，所述电容C5与热敏电阻R11并联，所述可控精密稳压芯片U3的参考极与电阻R10和热敏电阻R11之间的节点连接，所述可控精密稳压芯片U3的阳极与地连接，所述可控精密稳压芯片U3的阴极与电源VCC之间串联电阻R8和电阻R9，所述光耦芯片U2的两个输入端之间连接电阻R9，所述电阻R8与光耦芯片U2的一个输入端连接，所述可控精密稳压芯片U3的阴极与光耦芯片U2的另一个输入端连接，所述光耦芯片U2 的输出端与外部电路连接。

相比现有技术，本实用新型的有益效果在于：

本技术方案，采用集成化设计，单体容量可达1500A，内置智能驱动及保护线路板。从而简化了驱动电路且降低了成本，本技术方案的结构，采用目前低内阻Mosfet芯片进行封装设计，模块内阻仅为0.039mOhm。则相同通过1500A 电流的情况下的热功率为：1500A*1500A*0.039mOhm＝87.75W，比现有设计在该变换环节中节省72％的热损耗。从而达到了减少热损耗，同时简化驱动电路且降低成本的目的。

附图说明

图1为本实用新型智能Mosfet功率装置的结构示意图；

图2为本实用新型智能Mosfet功率装置中正负压产生电路的电子电路图；

图3为本实用新型智能Mosfet功率装置中隔离驱动电路的电子电路图；

图4为本实用新型智能Mosfet功率装置中栅极驱动保护电路的电子电路图；

图5为本实用新型智能Mosfet功率装置中温度保护监测电路的电子电路图。

图中：1、外壳；2、Mosfet芯片；3、绝缘板；4、智能驱动及保护线路板； 5、全铜基底。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本实用新型做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

本技术方案主要涉及一种应用在当前新能源行业的低压大电流能量转换中的关键器件的控制设计。具体涉及一种智能Mosfet功率装置的结构设计，及其内部驱动及保护电路的设计。

如图1所示，一种智能Mosfet功率装置，包括基底、绝缘板3、智能驱动及保护线路板4和Mosfet芯片阵列，绝缘板3设置在基底上，Mosfet芯片阵列设置在绝缘板3上，智能驱动及保护线路板4设置在基底上，且该智能驱动及保护线路板4与Mosfet芯片阵列电连接。

其中，优选的方案，基底为全铜基底5，绝缘板3为氧化铝陶瓷板。

全铜基底5作为电流通道以及散热基底；

氧化铝陶瓷板：为Mosfet芯片阵列与全铜基底5之间提供一层绝缘低热阻的过渡通道，并提供低阻抗的导电通道；

智能驱动及保护线路板4：为Mosfet装置提供装置内的隔离正反压驱动信号，以及装置内部的温度保护及故障反馈信号。

装置还包括，绝缘填充层和外壳1，绝缘填充层覆盖在Mosfet芯片阵列上，上述基底、绝缘板3、智能驱动及保护线路板4和Mosfet芯片阵列均封装在外壳1内。

装置内部通过温差焊接工艺，把Mosfet芯片2、氧化铝陶瓷基板、智能驱动及保护线路板4、全铜基底5逐层进行焊接结合在一起。结构设计上面，Mosfet 芯片2的热传递路径，为Mosfet芯片2产生的热量依次通过氧化铝陶瓷基板传递给全铜基底5后，热量通过全铜基底5提供额一条低热阻的散热路径散发出去。通过该方式，Mosfet芯片2产生的热量能够透过陶瓷基底线路板、全铜基底5最终传输到外部链接的散热器上。

绝缘填充层采用高分子硅胶材料，提供绝缘、低热阻的运行环境。

智能驱动及保护线路板4，包括正负压产生电路、隔离驱动电路、栅极驱动保护电路和温度保护监测电路，正负压产生电路、隔离驱动电路、栅极驱动保护电路和温度保护监测电路均与Mosfet芯片阵列电连接。

如图2所示，正负压产生电路，包括电阻R1、电阻R2、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C7、电容C8、电容C9和二极管D1，电容C2串联在电源VCC与地之间，电容C3与电容C2并联，电容C4与电容C3并联，电阻 R1与电容C8组成的串联电路与电容C4并联，电容C7与电容C8并联，电容 C9与电容C7并联，电阻R2与二极管D1组成的串联电路与电容C4并联，电阻R2与二极管D1的阴极串联，电容C1与电阻R2并联。

通过由二极管D1、电阻R1、电阻R2、电容C8、电容C9和电容C1组合而成的稳压及储能电路，为输入的驱动供电电源提供了一个稳定的偏置电位，而该电位则作为Mosfet管源极的固定电平。以该产生的固定电平作为参考电平，驱动输入电源正侧为正电压，而驱动输入电源负侧为负电压。

如图3所述，隔离驱动电路，包括，光耦芯片U1、三极管Q1、三极管Q2、二极管D2、二极管D3、电阻R3、电阻R5和电阻R4，电阻R5连接在光耦芯片U1的两个输入端之间，二极管D3与电阻R5并联，电阻R3的一端与二极管 D3的阴极连接，电阻R3的另一端与二极管D2的阴极连接，光耦芯片U1的输出端与三极管Q1的基极之间串联电阻R4，三极管Q1的基极与三极管Q2的基极连接，三极管Q1的发射极与三极管Q2的发射极连接，三极管Q1的集电极与电源的VCC端连接，三极管Q2的集电极与地连接。

通过光耦芯片U1、三极管Q1和三极管Q2组成的推挽电路，组成带隔离的驱动电路。当光耦输入端有高电平信号时，那么Mosfet栅极上有正电压的驱动电压，使其导通；当光耦输入端没有信号输入时，那么Mosfet栅极上有负电压的驱动电压，使其可靠关闭。

如图4所述，栅极驱动保护电路，包括二极管D4、电阻R6、电阻R7和TVS 二极管D5，电阻R6与电阻R7串联，TVS二极管D5与电阻R7并联，二极管 D4与电阻R6并联。

采用了TVS二极管D5进行栅极的过压保护，二极管D4作为关断时的快速放电通道。

如图5所述，温度保护监测电路，包括热敏电阻R11、电阻R10、电容C5、电阻R8、电阻R9、可控精密稳压芯片U3和光耦芯片U2，电阻R10和热敏电阻R11串联在电源VCC和地之间，电容C5与热敏电阻R11并联，可控精密稳压芯片U3的参考极与电阻R10和热敏电阻R11之间的节点连接，可控精密稳压芯片U3的阳极与地连接，可控精密稳压芯片U3的阴极与电源VCC之间串联电阻R8和电阻R9，光耦芯片U2的两个输入端之间连接电阻R9，电阻R8 与光耦芯片U2的一个输入端连接，可控精密稳压芯片U3的阴极与光耦芯片U2 的另一个输入端连接，光耦芯片U2的输出端与外部电路连接。

以雪崩式PTC(热敏电阻)R11与可控精密稳压芯片U3，可控精密稳压芯片U3采用TL431芯片，热敏电阻R11和可控精密稳压芯片U3组成的过温监控电路。当安装在模块内部的热敏电阻R11温度达到触发温度时，热敏电阻 R11的内阻会迅速增大，从而由可控精密稳压芯片U3组成的电压检测电路则会通过光耦U2把过温信号传送到外围电路，并同时关闭Mosfet的驱动电压。

本技术方案中智能Mosfet功率装置的尺寸仅为100mm*66mm*16.5mm。

上述实施方式仅为本实用新型的优选实施方式，不能以此来限定本实用新型保护的范围，本领域的技术人员在本实用新型的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本实用新型所要求保护的范围。