专利名称：一种智能功率模块及装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及智能功率模块，特别是涉及一种基于绝缘栅双极晶体管 (InsulatedGate Bipolar Transistor，缩略为IGBT)或金属氧化物半导体场效应管(Metal OxideSemiconductor Field Effect Transistor，缩略为 M0SFET)的智能功率模块。
背景技术：
绝缘栅器件IGBT自上世纪80年代问世以来，由于其输入阻抗高、开关速度快、通 态电压低、阻断电压高、承受电流大的性能，在高电压大功率领域中的得到了广泛的应用。 然而由于半导体器件本身的材料和结构原因，IGBT目前的电压等级最高是6. 5kV，达不到 电力系统中很多场合下的电压等级。这个缺陷限制了 IGBT应用的发展，而IGBT串联技术 则可以解决这个问题。然而IGBT串联技术难以克服均压问题，目前并没有可靠有效的解决 办法。智能功率模块(Intelligent Power Module，缩略为IPM)是先进的混合集成功率 器件，由高速、低功耗的IGBT和栅极驱动电路以及保护电路构成，可广泛应用于电力系统、 新能源系统、高压变频器、工业自动化、轨道交通、特种电源等领域。然而智能功率模块的性 能主要取决于内部集成的IGBT的性能，由于IGBT的耐压有限，智能功率模块的耐压、频率 等性能均无法得到提升，现有的IGBT的耐压上限值为6. 5kV，在需要高于6. 5kV耐压的场合 下就无法使用IGBT。另一方面，由于IGBT串联技术存在困难，当需要工作耐压为6. 5kV的 智能功率模块时，只能选用耐压为6. 5kV的IGBT ；当需要工作耐压为4. 5kV的智能功率模 块时，只能选用耐压为4. 5kV的IGBT，由于前述串联技术存在困难，所以也无法通过串联几 只低耐压IGBT来满足电路的高耐压要求。而现有的这些高耐压(如3. 3kV、4. 5kV、6. 5kV) 的IGBT产品，又被几大国际厂商垄断，价格高昂，供货周期也较长，这些都在极大程度上限 制了智能功率模块的应用。
实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题是弥补上述现有技术的不足，提出一种智能功 率模块及装置，通过绝缘栅器件的可靠串联连接，满足应用电路对于高耐压、高频率的要 求。本实用新型的技术问题通过以下的技术方案予以解决一种智能功率模块，包括控制电路、驱动电路和绝缘栅器件，所述控制电路的控制 信号输入端为所述智能功率模块的控制输入端，所述控制电路的控制信号输出端与所述驱 动电路的控制输入端相连；所述驱动电路的输出端与所述绝缘栅器件的输入端相连；所述 驱动电路和所述绝缘栅器件的个数为N，N大于等于2，所述N个绝缘栅器件串联连接，所述 N个驱动电路均是用于保证所述N个绝缘栅器件串联均压工作的驱动电路。优选的技术方案中，所述N个驱动电路均包括参考信号发生器、比较放大电路和反馈电路，所述参考信号发生器的输入端为所述驱动电路的控制输入端，所述参考信号发生器的输出端与所述比较放大电路的参考电压输入端相连；所述反馈电路的输入端与所述绝缘栅器件的集电极 相连，输出端与所述比较放大电路的比较信号输入端相连；所述比较放大电路的输出端与 所述绝缘栅器件的栅极相连。所述绝缘栅器件为IGBT模块、IGBT芯片、MOSFET模块、MOSFET芯片中的一种。还包括电流检测单元，所述电流检测单元的输入端与所述N个绝缘栅器件的串联 支路的一端相连，所述电流检测单元的输出端与所述控制电路的电流检测输入端相连。还包括电压检测单元，所述电压检测单元的第一输入端与所述N个绝缘栅器件的 串联支路的一端相连，第二输入端与所述N个绝缘栅器件的串联支路的另一端相连，所述 电压检测单元的输出端与所述控制电路的电压检测输入端相连。还包括温度检测单元，所述温度检测单元检测所述智能功率模块的内部温度，所 述温度检测单元的输出端与所述控制电路的温度检测输入端相连。本实用新型的技术问题通过以下进一步的技术方案予以解决一种智能功率模块装置，包括散热底座、N个绝缘栅器件、N个驱动电路板、一个控 制电路板、一个绝缘外壳、支撑部件；所述N大于等于2 ；所述N个绝缘栅器件串联连接，固 定在散热底座上；所述N个驱动电路板对应驱动所述N个绝缘栅器件工作，且均是用于保证 所述N个绝缘栅器件串联均压工作的驱动电路，所述N个驱动电路板固定安装在所述控制 电路板上；所述控制电路板接收外部输入的控制信号，控制整个模块的工作，所述控制电路 板通过所述支撑部件固定在散热片上；所述N个绝缘栅器件、N个驱动电路板、一个控制电 路板、支撑部件均封闭在所述绝缘外壳里面。优选的技术方案中，还包括一层绝缘层，所述绝缘层设于所述散热底座和所述N个绝缘栅器件之间。所述绝缘层由绝缘材料碳化硅或者陶瓷制成。本实用新型与现有技术对比的有益效果是本实用新型的智能功率模块和装置，采用支持绝缘栅器件(如IGBT、M0SFET)串联 的驱动，实现模块中绝缘栅器件的直接串联后的可靠性工作，从而利用耐压较低的IGBT或 MOSFET就能实现整个智能功率模块的高耐压，且能降低整个智能功率模块的成本。同时智 能功率模块采用耐压较低的IGBT或M0SFET，而耐压较低的IGBT或MOSFET的工作频率却较 高，这样就能同时实现智能功率模块的高耐压和高工作频率。进一步地，智能功率模块中集 成了电流检测、电压检测和温度检测，能及时检测整个智能功率模块中的故障，提高智能功 率模块工作的安全性。
图1是本实用新型中智能功率模块的结构图；图2是本实用新型具体实施方式
一中的智能功率模块的连接示意图；图3是本实用新型具体实施方式
二中的智能功率模块的连接示意图；图4是本实用新型具体实施方式
三中的智能功率模块的连接示意图；图5是本实用新型具体实施方式
四中的智能功率模块装置的结构示意图；图6是本实用新型具体实施方式
五中的智能功率模块装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式
并对照附图对本实用新型做进一步详细说明。
具体实施方式
一如图1所示，为智能功率模块的结构图。智能功率模块包括控制电路、N个驱动电 路和N个绝缘栅器件。控制电路的控制信号输入端为所述智能功率模块的输入端，接收智 能功率模块应用的外界中央控制单元的控制信号，控制整个功率模块的工作；控制电路的 控制信号输出端输出相应的控制信号，控制驱动电路的工作。N个驱动电路的各输出端与对 应的N个绝缘栅器件的栅极、集电极和发射极相连，N个绝缘栅器件串联连接，其中N个驱 动电路均是用于保证与其相连的N个绝缘栅器件串联均压工作的驱动电路。其中，驱动电路均包括参考信号发生器、比较放大电路和反馈电路，参考信号发生 器的输入端为驱动电路的控制输入端，接收从控制电路输出的控制信号，参考信号发生器 的输出端与比较放大电路的参考电压输入端相连，向比较放大电路输入参考电压信号；反 馈电路的输入端与绝缘栅器件的集电极相连，输出端与比较放大电路的比较信号输入端相 连。比较放大电路的输出端为驱动电路的控制信号输出端，与绝缘栅器件的栅极相连，输出 信号控制绝缘栅器件稳定工作。如图2所示，为本实施方式中智能功率模块的连接示意图。智能功率模块包括控 制电路10、驱动电路2、IGBTl、驱动电路4、IGBT3、电流检测单元20、电压检测单元30、温度 检测单元40。控制电路10接收外界输入的控制信号，如开关信号、复位信号、输入电源和地，控 制智能功率模块的工作。IGBTl与IGBT3串联连接，IGBTl的发射极与IGBT3的集电极连接，IGBTl的集电 极(图中所示+端口)、IGBT3的发射极(图中所示-端口)分别为整个智能功率模块的正 功率端口和负功率端口。其中，智能功率模块的控制输入端即为控制电路10的控制信号输 入端。驱动电路2驱动IGBTl工作，驱动电路4驱动IGBT3工作。驱动电路2和4均 能保证各自驱动的IGBT均压工作，其具体电路结构图可参考如下专利申请，申请号为 200920261174. 8，名称为《一种单个或多个串联连接的绝缘栅器件的驱动电路》。IGBTl与IGBT3可以为IGBT芯片、也可以为IGBT芯片组成的IGBT模块，本实施方 式中IGBTl与IGBT3均为IGBT模块，其耐压为1. 7kV，则IGBTl与IGBT3串联组成的智能 功率模块的耐压可以达到3. 4kV，可以兼容3. 3kV的系统，即可以替代传统的由一个耐压为 3. 3kV的IGBT组成的智能功率模块，且能增加0. IkV的电压冗余度。智能功率模块中的电流检测单元20的输入端与IGBT3的发射极相连，检测IGBTl 与IGBT3中流过的电流；电压检测单元30的第一输入端与IGBTl的集电极相连，第二输入 端与IGBT3的发射极相连，检测IGBTl与IGBT3串联输出的总电压；温度检测单元40内置 于智能功率模块的内部，检测模块内部的温度。电流检测单元20、电压检测单元30和温度 检测单元40分别将检测的电流信号、总电压信号和温度信号输入控制电路10中进行处理。 其中，电流检测单元20可以为电流传感器、电流互感器以及其它能检测电路中电流的器件 组成的电路。电压检测单元30可以为电压传感器、变压器以及其它能检测电路中电压的器件组成的电路。温度检测单元40通过内置的温度传感器检测模块内部温度。另外，驱动电 路2和驱动电路4也向控制电路10输入自身的故障状态以进行处理。当出现异常情况时，如过流故障、过压故障、过温故障或驱动电路2或4的驱动故 障，由控制电路10的故障输出端口向智能功率模块应用的外部中央控制单元输出故障信 号，同时控制电路10通过过流故障、过压故障、过温故障、驱动故障端口向外部中央控制单 元输出具体故障的原因，进而做出相应的处理。本实施方式中的智能功率模块采用支持IGBT串联的驱动，实现了 2个耐压为 1. 7kV的IGBT的直接串联的电路可靠性。由于模块中2个耐压为1. 7kV的IGBT的串联，智 能功率模块的耐压可以达到3. 3kV，而两个1. 7kV的IGBT的价格却往往低于一个同类型号 的3. 3kV的IGBT的价格，使得整个智能功率模块的价格也有所下降。另外，由于耐压低的 IGBT的工作频率较高，所以能同时实现智能功率模块的高耐压和高工作频率。除此之外，智 能功率模块由两个IGBT串联，当其中一个IGBT出现故障时，相应更换出现故障的IGBT即 可，而不用像传统的智能功率模块那样需更换整个模块，使得维修更换也较方便，并降低维 修费用。进一步地，智能功率模块中集成了电流检测、电压检测和温度检测，能及时检测整 个智能功率模块中的故障信号，提高智能功率模块工作的安全性。本实施方式中也可以通过串联MOSFET芯片或者MOSFET模块实现高压MOSFET智 能功率模块，相应的驱动电路采用支持MOSFET直接串联的驱动电路即可。另外，IGBT的耐 压也可以选择其它耐压级别的IGBT模块，进一步提高组成的智能功率模块的耐压级别。也 可以通过增加串联的IGBT的个数，进一步提高组成的智能功率模块的耐压级别。
具体实施方式
二如图3所示，为本实施方式中智能功率模块。本实施方式与实施方式一的区别在 于本实施方式中的IGBT模块和相应的驱动电路有四个，组成半桥模块结构。智能功率模块包括控制电路10、驱动电路2、IGBTl、驱动电路4、IGBT3、驱动电路 6、IGBT5、驱动电路8、IGBT7、电流检测单元20、电流检测单元21、电压检测单元30、温度检 测单元40。其中，驱动电路2、4、6、8分别驱动对应的IGBT1、3、5、7工作，且能保证各自驱动 的IGBT的均压工作。IGBTl的发射极与IGBT3的集电极连接使IGBT1、3串联连接组成半桥 电路的上侧；IGBT5的发射极与IGBT7的集电极连接使IGBT5、7串联连接组成半桥电路的 下侧；IGBTl的集电极、IGBT7的发射极分别为整个智能功率模块的正功率端口和负功率端 口，IGBT3的发射极与IGBT5的集电极连接后作为半桥电路的中间节点。控制电路10的输 入控制信号中的开关信号为上、下两侧开关信号，分别控制上、下两侧的串联IGBT。电流检 测单元21检测IGBTl、IGBT3中流过的电流，电流检测单元20检测IGBT5与IGBT7中流过 的电流，电压检测单元30检测半桥支路两端输出的总电压，温度检测单元40检测模块内部 温度。另外，根据IGBT模块串联组成半桥结构的示意图，可以增加IGBT模块的个数组成 单相全桥结构或三相全桥结构。
具体实施方式
三如图4所示，为本实施方式中的智能功率模块。本实施方式与实施方式一的区别 在于本实施方式中的IGBT模块和相应的驱动电路的个数为三个。智能功率模块包括控制电路10、驱动电路2、IGBTl、驱动电路4、IGBT3、驱动电路6、IGBT5、电流检测单元20、电压检测单元30、温度检测单元40。控制电路10接收外界输入的控制信号，如开关信号、复位信号、输入电源和地，控制智能功率模块的工作。IGBTl、IGBT3、IGBT5串联连接，IGBTl的发射极与IGBT3的集电极 连接，IGBT3的发射极与IGBT5的集电极连接，IGBTl的集电极(图中所示+端口)、IGBT5 的发射极(图中所示-端口)分别为整个智能功率模块的正功率端口和负功率端口。其中， 智能功率模块的控制输入端即为控制电路10的控制信号输入端。驱动电路2、4、6的具体 电路结构，电流检测单元20、电压检测单元30、温度检测单元40与电路的连接均与实施方 式一中的电路相同，在此不再重复说明。IGBT1、3、5的工作时耐压电压为1. 7kV，则IGBT1、3和5串联组成的智能功率模块 的耐压可以达到5. lkV，可以兼容4. 5kV的系统，即可以替代传统的由一个耐压为4. 5kV的 IGBT组成的智能功率模块，且能增加0. 6kV的电压冗余度。另外，IGBT1、3、5也可以选用耐 压为1. 2kV的IGBT模块，串联组成的智能功率模块耐压可以达到3. 6kV，可以兼容3. 3kV的 系统，即可以替代传统的由一个耐压为3. 3kV的IGBT组成的智能功率模块，且能增加0. 3kV 的电压冗余度。可见，智能功率模块内部串联的IGBT的耐压选择以及个数可以根据实际应 用合理设置，方便用户的使用。
具体实施方式
四如图5所示，为本实施方式中的智能功率模块装置的结构示意图。智能功率模块 装置包括散热底座41、三个IGBT模块42、三个相应的驱动电路板43、输入输出端口板44、 控制电路板45、绝缘外壳46、铜排47、支撑部件48和功率端口 49、50以及导线51。本实施 方式中的智能功率模块装置的内部电路是具体实施方式
四中所示的电路。整个智能功率模块固定在一个底座上，底座为金属散热片41，金属散热片41可采 用风冷或水冷散热方式。散热片41上固定三个1.7kV IGBT模块42。三个IGBT模块42相 应的集电极和发射极采用铜排47连接，实现串联。每个IGBT的集电极、发射极、栅极与相应 的智能驱动电路板43的相应端口通过各自的导线51连接。三块智能驱动电路板43与一 块控制电路板45相连，控制电路板45上集成有电流检测单元、电压检测单元和温度检测单 元(图中未示出)。控制电路板45上还安装有一个输入输出接口板44，输入输出端口板44 集中控制电路板45的输入输出端口，输入包括开关信号、复位信号、输入电源和地，输出包 括整个模块的故障信号(驱动故障信号、过流故障信号、过压故障信号或过温故障信号)。 智能功率模块的功率端口 49、50即为三个IGBT模块42串联后的两个端口。输入输出端口 板44和功率端口 49、50通过绝缘外壳46上相应处的开口与外界实现输入输出，用以实现 装置和外部的输入输出；控制电路板45通过支撑部件48固定在散热片41上；整个模块由 绝缘外壳46封闭，形成独立的装置。当串联较多IGBT模块形成较高电压的系统时，各个IGBT模块42如果直接与同一 个散热片41相连，可能会有耐压的问题。这是因为各个IGBT模块如果安装在同一个散热 片上，可以保证其温度一致。但是对串联而言，还有一个问题就是每个IGBT的底座、外壳、 引脚之间有个绝缘限制，比如1. 7kV的IGBT绝缘等级一般为4kV。如果三个1. 7kV的IGBT 放在同一个散热片上，在关断时，智能功率模块的功率端口两端(如图4，即IGBTl的集电极 和IGBT5的发射极两端)的电压最高可以达到5. lkV，超过了 4kV的绝缘限制等级，有可能 会出现问题。此时可以通过如下两种方式解决<1>在散热片41和IGBT模块42之间增加一层导热性好的绝缘层，实现在散热片41和IGBT模块42的耐压隔离，解决散热问题。绝 缘层可以由绝缘材料碳化硅或者陶瓷组成。<2>采用多个散热片41，如果是风冷则在各个 散热片41之间留出空隙或者用绝缘材料填充，实现电气隔离；如果是水冷则在各个散热片 41的进出水口之间通过绝缘水管相连，实现电气隔离。
具体实施方式
五如图6所示，为本实施方式中的智能功率模块装置的结构示意图。本实施方式与 实施方式四的区别在于实施方式四的智能功率模块装置是根据图4的电路组成，包括三 个驱动电路和三个IGBT ；而本实施方式的智能功率模块装置是根据图3的电路组成，包括 四个驱动电路和四个IGBT。图6中，四个IGBT模块串联组成半桥结构，端口 60为智能功率模块装置的正功率 端口，端口 61为智能功率模块装置的负功率端口，端口 62为智能功率模块装置的半桥电路 的中间节点。智能功率模块装置的其他结构均与图5中的相应结构相同，在此不再重复说 明。以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能 认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术 人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下做出若干替代或明显变型，而且性能或用途 相同，都应当视为属于本实用新型的保护范围。
权利要求一种智能功率模块，包括控制电路、驱动电路和绝缘栅器件，所述控制电路的控制信号输入端为所述智能功率模块的控制输入端，所述控制电路的控制信号输出端与所述驱动电路的控制输入端相连；所述驱动电路的输出端与所述绝缘栅器件的输入端相连；其特征在于所述驱动电路和所述绝缘栅器件的个数为N，N大于等于2，所述N个绝缘栅器件串联连接，所述N个驱动电路均是用于保证所述N个绝缘栅器件串联均压工作的驱动电路。
2.根据权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于所述N个驱动电路均包括参考 信号发生器、比较放大电路和反馈电路，所述参考信号发生器的输入端为所述驱动电路的 控制输入端，所述参考信号发生器的输出端与所述比较放大电路的参考电压输入端相连; 所述反馈电路的输入端与所述绝缘栅器件的集电极相连，输出端与所述比较放大电路的比 较信号输入端相连；所述比较放大电路的输出端与所述绝缘栅器件的栅极相连。
3.根据权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于所述绝缘栅器件为IGBT模块、 IGBT芯片、MOSFET模块、MOSFET芯片中的一种。
4.根据权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于还包括电流检测单元，所述电流 检测单元的输入端与所述N个绝缘栅器件的串联支路的一端相连，所述电流检测单元的输 出端与所述控制电路的电流检测输入端相连。
5.根据权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于还包括电压检测单元，所述电压 检测单元的第一输入端与所述N个绝缘栅器件的串联支路的一端相连，第二输入端与所述 N个绝缘栅器件的串联支路的另一端相连，所述电压检测单元的输出端与所述控制电路的 电压检测输入端相连。
6.根据权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于还包括温度检测单元，所述温度 检测单元检测所述智能功率模块的内部温度，所述温度检测单元的输出端与所述控制电路 的温度检测输入端相连。
7.一种智能功率模块装置，其特征在于包括散热底座、N个绝缘栅器件、N个驱动电路 板、一个控制电路板、一个绝缘外壳、支撑部件；所述N大于等于2 ；所述N个绝缘栅器件串 联连接，固定在散热底座上；所述N个驱动电路板对应驱动所述N个绝缘栅器件工作，且均 是用于保证所述N个绝缘栅器件串联均压工作的驱动电路，所述N个驱动电路板固定安装 在所述控制电路板上；所述控制电路板接收外部输入的控制信号，控制整个模块的工作，所 述控制电路板通过所述支撑部件固定在散热片上；所述N个绝缘栅器件、N个驱动电路板、 一个控制电路板、支撑部件均封闭在所述绝缘外壳里面。
8.根据权利要求7所述的智能功率模块装置，其特征在于还包括一层绝缘层，所述绝 缘层设于所述散热底座和所述N个绝缘栅器件之间。
9.根据权利要求8所述的智能功率模块装置，其特征在于所述绝缘层由绝缘材料碳 化硅或者陶瓷制成。
专利摘要本实用新型公开了一种智能功率模块，包括控制电路、驱动电路和绝缘栅器件，所述控制电路的控制信号输入端为所述智能功率模块的控制输入端，控制信号输出端与所述驱动电路的控制输入端相连；所述驱动电路的输出端与所述绝缘栅器件的输入端相连；所述驱动电路和所述绝缘栅器件的个数为N，N大于等于2，所述N个绝缘栅器件串联连接，所述N个驱动电路均是用于保证所述N个绝缘栅器件串联均压工作的驱动电路。本实用新型通过采用支持绝缘栅器件串联的驱动，实现模块中绝缘栅器件直接串联的可靠工作，从而利用耐压较低的绝缘栅器件实现整个智能功率模块的高耐压，且能降低整个智能功率模块的成本。
文档编号H02M1/088GK201629663SQ201020161709
公开日2010年11月10日 申请日期2010年4月6日 优先权日2010年4月6日
发明者汪之涵 申请人:汪之涵