一种采用多管并联式桥臂的功率器件全桥

本实用新型涉及电子器件领域，具体涉及一种采用多管并联式桥臂的功率器件全桥。

背景技术：

由功率器件组成的全桥，是智能功率模块(英文简称为ipm，intelligentpowermodule)的核心，其广泛应用于大量的电力电子系统之中，特别应用于大量的逆变场合。

如图1所示，现有技术中，用于三相电机驱动的传统形式的全桥由三个上桥臂和三个下桥臂构成，每个桥臂由一个功率器件承担，因此总共是六个管子，即六路独立的开/关控制。

实践中，大功率电机、压缩机等机电设备在启动阶段需要很大功率，这就要求各功率器件能够控制输出非常大的电流；与之对应的，上述机电设备在常规工作阶段仅需要中小量级的输出电流。因此，为了照顾不同的工作阶段需求，必然要选取满足最大电流输出需求的大功率的器件，以承担全桥电路中每个桥臂的开通和关断控制。

综上，如何解决不同阶段对于功率器件性能有不同需求的问题，以增强在开关速度和开关消耗功率等关键电特性上的优势，同时以提高功率器件的使用寿命，已经成为亟需解决的问题。

技术实现要素：

为了克服现有技术存在的一系列缺陷，本实用新型的目的在于针对上述问题，提供一种采用多管并联式桥臂的功率器件全桥,包括多个桥臂，其特征在于，每个所述桥臂包括并联的小功率器件5，所述小功率器件5均为独立驱动控制，其中，

在要求输出较大电力的阶段，小功率器件5同时导通或者关断，其效果等效于一个大功率的单个器件进行工作；

在要求输出中、小电力的阶段，小功率器件5，仅其中的一个或者数个进行工作。

优选的，所述每个桥臂均包括上桥臂3和下桥臂4，所述上桥臂3组成上桥臂模组9，所述下桥臂4组成下桥臂模组10，所述上桥臂模组9和下桥臂模组10均由并联的小功率器件5来共同承担开通/关断，其中，所述小功率器件5分别与下引线6、上引线7以及独立控制的引线8相连。

优选的，在要求输出中、小电力的阶段，一个或者数个小功率器件5轮换交替地进行导通或者关断。

优选的，所述每个桥臂均采用三个igbt器件相并联而成，通过多个桥臂的组合形成单相全桥或者三相全桥或者六相全桥。

优选的，所述三相全桥包括六个桥臂，每个桥臂均作为三相全桥的一个分支，且每个igbt器件均设置驱动控制芯片，驱动控制芯对igbt器件的每一路输出均进行独立控制，其中，驱动控制芯片、三相全桥以及其他辅助电路为独立封装或集成封装形式。

优选的，所述驱动控制芯片具有监视和反馈控制功能，用于监视功率器件的关态漏电流和/或实时温度，通过比较测量值和报警阈值以判定潜在的失效风险。

优选的，所述三相全桥并联构成智能功率模块，每个三相全桥的分支器件均设置温度传感器，用于探测三相全桥各器件工作时的实时温度。

优选的，当所述温度传感器探测到其对应的三相全桥某个分支器件的温度与其他器件的温度差异≥30％时，则关闭该分支器件，由同分支的其他器件担负中小电流工作模式下的轮换导通工作。

优选的，同分支其他器件的轮换工作是临时和短期的；虽然该时间是临时和短期的，然而足够维持该状态至维护人员响应，更换掉工作状态不正常的分支器件。

与现有技术相比，本实用新型具备以下有益效果：

1)本实用新型的一种采用多管并联式桥臂的功率器件全桥，可以有效解决不同阶段对器件功率需求差异化的问题，本方案采取若干较小功率器件相组合的方式，其合起来的芯片面积与单个大器件芯片面积差异不大，因此本方案功率器件部分的成本并无实质性的增加；

2)本实用新型的一种采用多管并联式桥臂的功率器件全桥，在开关速度、开关消耗功率等关键电特性上更具优势，因为与开关一个大管子相比，开关一个中小功率的管子要容易得多，也快速得多，且本方案的大功率器件由若干小功率器件代替，提供同样的电流时小管子更为适配，电特性更好；

3)本实用新型的一种采用多管并联式桥臂的功率器件全桥，实际使用寿命将会成倍增加，若以开关次数以标志功率器件的寿命，在开关次数相同情况下，本方案的功率器件模块多数时间内由多个管子轮换工作，例如3个管子轮换工作，则使用寿命增加为传统方案的3倍。

附图说明

图1为现有技术中三相全桥的电路结构示意图；

图2为本实用新型一种采用多管并联式桥臂的功率器件全桥的三相全桥的电路结构示意图；

图3为本实用新型一种采用多管并联式桥臂的功率器件全桥的单个桥臂的电路结构示意图。

其中，图中附图标记为：

3-上桥臂，4-下桥臂，5-小功率器件，6-下引线，7-上引线，8-独立控制的引线，9-上桥臂模组，10-下桥臂模组。

具体实施方式

为使本实用新型实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

下面通过参考附图描述的实施例以及方位性的词语均是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

本实用新型的一个宽泛实施例中，

一种采用多管并联式桥臂的功率器件全桥,包括多个桥臂，其特征在于，每个桥臂所述包括并联的小功率器件5，所述小功率器件5均为独立驱动控制，其中，

在要求输出较大电力的阶段，小功率器件5同时导通或者关断，其效果等效于一个大功率的单个器件进行工作；

在要求输出中、小电力的阶段，小功率器件5，仅其中的一个或者数个进行工作。

优选的，所述每个桥臂均包括上桥臂3和下桥臂4，所述上桥臂3组成上桥臂模组9，所述下桥臂4组成下桥臂模组10，所述上桥臂模组9和下桥臂模组10均由并联的小功率器件5来共同承担开通/关断，其中，所述小功率器件5分别与下引线6、上引线7以及独立控制的引线8相连。

优选的，在要求输出中、小电力的阶段，一个或者数个小功率器件5轮换交替地进行导通或者关断。

优选的，所述每个桥臂均采用三个igbt器件相并联而成，通过多个桥臂的组合形成单相全桥或者三相全桥或者六相全桥。

优选的，所述三相全桥包括六个桥臂，每个桥臂均作为三相全桥的一个分支，且每个igbt器件均设置驱动控制芯片，驱动控制芯对igbt器件的每一路输出均进行独立控制，其中，驱动控制芯片、三相全桥以及其他辅助电路为独立封装或集成封装形式。

优选的，所述驱动控制芯片具有监视和反馈控制功能，用于监视功率器件的关态漏电流和/或实时温度，通过比较测量值和报警阈值以判定潜在的失效风险。

优选的，所述三相全桥并联构成智能功率模块，每个三相全桥的分支器件均设置温度传感器，用于探测三相全桥各器件工作时的实时温度。

优选的，当所述温度传感器探测到其对应的三相全桥某个分支器件的温度与其他器件的温度差异≥30％时，则关闭该分支器件，由同分支的其他器件担负中小电流工作模式下的轮换导通工作。

优选的，同分支其他器件的轮换工作是临时和短期的；虽然该时间是临时和短期的，然而足够维持该状态至维护人员响应，更换掉工作状态不正常的分支器件。

下面结合附图，以三相全桥为例，对本实用新型进行描述：

传统的三相全桥，电路结构如图1所示，由三个上桥臂3和三个下桥臂4组成，每个桥臂含一个功率器件，总共是六个功率器件，六个独立的导通/关断控制，三相全桥共有三路输出，对应后级机电装置的三根电源相线。

本实用新型的三相全桥，电路结构如图2所示，仍然由三个上桥臂3和三个下桥臂4组成，其中，一个上桥臂3由三个小功率器件5并联，组成一个上桥臂模组9，类似的，三个下桥臂4的并联器件，组成下桥臂模组10；至此，传统方案中每个桥臂的工作，变更为由并联的三个小功率器件5来共同承担开通/关断控制的功能，共计有十八个功率器件，这十八个功率器件的总功率与传统全桥中的六个功率器件的总功率相当，也就是说，本实用新型中所用的单个功率器件，功率为传统全桥所使用单个器件的三分之一，相对来说是一种“小功率”的器件，其中，小功率器件5分别与下引线6、上引线7以及独立控制的引线8相连。此外，还有十八路来自外部的导通/关断的独立控制，以及三路相线输出。

对于如上构成的新型三相全桥，采用更为复杂化的驱动方式，可以适合于不同的应用状况，获得更强的性能和表现，具体体现为：

(1)机电装置启动阶段，往往需要输出较大电流，此时，桥臂中的所有功率器件同时导通或者关断，为全并联方式的工作，能够提供所需的较大电流。而在机电装置进入正常运行后，桥臂中的三个器件，举例来说，可以轮换进行工作，提供此时所需的较小的输出电流，亦即，a器件工作时，b、c两器件处于关闭状态，而b器件工作时，c、a两器件处关断状态，依此类推。所以单就构成桥臂的各单管而言，如果工作频率为f的话，则传统方案的工作频率只是f，而本实用新型方案，最高可工作于3f即3倍的频率下；当然各管的占空比，也与传统方法不同。

(2)仍以图2为例，桥臂由三个管子并联组成。工作状态可以在“三管共同工作输出大电流”，“两管一组同时工作，不同的两管组合轮替，输出中档次电流”，以及“仅单管工作，各管轮替”，可以在这三种不同的工况间灵活地切换，分别对应机电装置的启动、全速工作、常规维持工作，这样三种不同的工作阶段。

(3)对各单管漏电流等特性指标进行监控，如果判断某单管在使用过程中关态漏电增长超过了一定的阈值，则可以预先判定此单管即将失效，此时在只需要小电流输出的常规运行阶段，可以弃用此单管，原功能由该桥臂中的其他(n-1)个单管来承担。这样可以对维修时间进行展期，在工作不太忙的时候，进行维修，换掉潜在失效的单管；如果短时间内工作很繁忙，或者要有一段零部件到货的等待期，因为能够采用本条控制措施进行应对，实际上一定时期内并不会影响机电装置的正常使用。本条也适用于对个单管工作温度的监控。

下面列举优选实施例，对本实用新型作进一步的详细说明。

实施例一

采用三个8a的igbt器件相并联，来组成单个桥臂，进而由六组这样的桥臂来构成三相全桥。在机电装置启动阶段，各桥臂的三个igbt器件全部投入工作，可以提供短时间内24a的输出电流；而在常规运行的阶段，则分为三个时间片运行，构成桥臂的每个igbt器件各负责一个时间片，提供不超过8a的电流，足以维持机电设备的正常运转。

按照此种方式构建的三相逆变全桥，可以实现本实用新型的基本功能，用于白色家电，例如变频空调、冰箱等的压缩机运行控制。对于长时间运行在中小电流状态的逆变全桥，由于是三个器件轮换工作，平均效果而言，全桥模块的使用寿命将是原先单个器件方案的三倍。

实施例二

三相全桥的具体实现同实施例一。由于共计有十八路导通/关断的控制，所以控制芯片也对应地有十八个输出端。将这种专门的驱动控制芯片，与三相全桥及其他辅助电路放在一起，做成集成式的封装模块，用于对机电类装置的用电控制。

本实施例是对基本的实施例一的一种扩展，描述了一款采用新式全桥和新式控制的智能功率模块(ipm)的具体实现。进行集成化封装后，模块整体具有更强的应用可靠性和鲁棒性。

实施例三

实现方式同实施例二，但是在驱动控制的ic部分，增加监视和反馈控制的功能。具体可监视各功率器件的关态漏电流，器件工作时的实时温度等，根据软件算法，比较测量值和报警阈值，如果判定某功率管潜在具有失效的风险，则在长时间的常规运行阶段，永久地弃用该功率器件，原来三个管子承担的任务，改由功能正常的两个管子来实现，仍采取双管轮替的方式工作。由于全桥如何运行的控制方案上的这样的变化，可以对整机设备的维修进行展期，获取更强的鲁棒性。

本实施例提供了更为复杂化的控制能力，相对与传统方法，采用本实用新型技术方案所制作的功率模块，更加是名副其实地具有运行时应对意外情况的智能。

实施例四

采用三个8a的igbt器件相并联，来组成单个桥臂，再由四组这样的桥臂构成单相全桥。其余环节同基础的实施例一。

本实施例可看成是对基础实例的某种简化，换言之，本实用新型核心性的技术思路，不仅可体现在三相全桥上，也还可以用于单相逆变桥，或者更多相输出的系统，例如六相全桥等，应用面是非常广泛的。

实施例五

基本实现同实施例一，在构成ipm(智能功率模块)时，在基板上设置三个区域，每个区域放置一个三相全桥，然后通过引线连接，对三个三相桥进行并联，以此种方式达到某桥臂由三个较小功率器件的并联构成。同时，在每个区域设置一个温度传感器，探测工作时的实时温度。

在模块具体工作时，根据温度传感器探测到的温度情况，如果某个区域温度明显比另外两个区域高出30％及以上，则暂时关闭此区域的所有开关器件，仅依托其他区域的器件进行轮换工作。

本例，提供了ipm模块的一种组成的策略，并且结合一种复杂化的控制方案，可以得到更好的运行控制。

最后需要指出的是：以上，仅为本实用新型的较佳实施例，但本实用新型的保护范围并不局限于此；任何熟悉本技术领域的技术人员可以对本实用新型的技术环节予以简单变通并投入应用，例如，组成多相桥，或者功率器件不用这里的igbt、而改用硅vdmos或sic、gan器件等等，这些做法应视作在本实用新型基础上的容易联想到的方案，理应受到保护。本实用新型的保护范围以权利要求所界定的保护范围为准。