专利名称：一种智能功率装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及电动汽车领域，特别是涉及一种电动汽车用智能功率装置。
背景技术：
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor 绝缘栅双极型晶体管)是由 MOSFET 和双极型晶体管复合而成的一种器件，其输入极为M0SFET，输出极为P-N-P晶体管，结合了 这两种器件的优点，既具有MOSFET器件驱动功率小和开关速度快的优点，又具有双极型器 件饱和压降低而容量大的优点。IGBT频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作 于几十kHz频率范围内，在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用，在较高频率的 大、中功率应用中占据了主导地位。参见图1，示出IGBT的等效电路，若在IGBT的栅极G和发射极E之间加上驱动正 电压，则MOSFET导通，这样PNP晶体管的集电极C与基极之间成低阻状态而使得晶体管导 通；若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V，则MOS截止，切断PNP晶体管基极电流的供给， 使得晶体管截止。IGBT与MOSFET —样也是电压控制型器件，在它的栅极G-发射极E间施 加十几V的直流电压，只有在uA级的漏电流流过，基本上不消耗功率。一般情况下，一个IGBT模块只作为一个开关元件来使用，其它各功能元件(如驱 动电路、控制电路等)设置在IGBT模块外，与IGBT模块连接，共同作用。各功能元件设置 在IGBT模块外，会占用较大的空间，集成度较低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种智能功率装置，该装置集成多个功能元 件，并在模块内部实现多个开关元件的串并联，从而实现变流器的功能，且集成度较高，可 节约设备空间。本发明提供一种智能功率装置，包括封装成一体的功率半导体芯片、驱动电路、 控制电路和电流传感器，功率半导体芯片为四个桥臂结构，驱动电路与功率半导体芯片的 栅极、集电极和发射极相连，控制电路与驱动电路连接，以控制功率半导体芯片的开通与关 断；电流传感器获取检测功率半导体芯片的输出电流，将输出电流值发送到控制电路，控制 电路依据输出电流值控制功率半导体芯片的功率输出。优选的，还包括与所述装置封装成一体的温度传感器，温度传感器放置在功率半 导体芯片处，信号输出端与控制电路连接；温度传感器检测功率半导体芯片的温度，将温度 值发送到控制电路，控制电路依据温度值控制功率半导体芯片的功率输入。优选的，功率半导体芯片通过若干数量的IGBT芯片及FRD芯片按比例反并联连接 而成。优选的，所述功率半导体芯片焊接在衬板上。优选的，温度传感器焊接在衬板上。优选的，电流传感器焊接在衬板上。
优选的，所述衬板通过辅助电极连接第一 PCB板。优选的，所述智能功率装置的顶部为第二 PCB板。优选的，所述第一 PCB板和第二 PCB板之间通过辅助电极连接。优选的，所述驱动电路和控制电路设置在第一 PCB板或第二 PCB板上。与现有技术相比，本发明具有以下优点本发明智能功率装置是在传统IGBT模块封装的基础上，将驱动电路、控制电路、 电流传感器、及温度传感器全部集成一个IGBT模块内，该智能功率装置的封装工艺与传统 IGBT模块的封装工艺相兼容。从功能上看，本发明智能功率装置就是一个变流器，而不再是 一个简单的开关元件。本发明温度传感器和电流传感器集成到功率半导体芯片上，从而可 以更加准确地检测温度和电流，提高系统的可靠性。
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所 需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为现有IGBT的等效电路图；图2为本发明智能功率装置结构图；图3为本发明功率半导体芯片单元结构图；图4为本发明功率半导体芯片结构图；图5为智能功率装置电路原理图；图6为智能功率装置剖视图。
具体实施例方式为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实 施方式对本发明作进一步详细的说明。本发明将电动汽车变流器功能集成到IGBT模块内，使IGBT模块不仅可以实现开 关功能，还可以实现变流器的功能，成为智能功率装置，从而减少对设备体积的占用，还可 有效提高可靠性。参见图2，示出本发明智能功率装置结构，包括封装成一体的功率半导体芯片21、 驱动电路22、控制电路23、温度传感器M和电流传感器25。驱动电路22与功率半导体芯 片21的栅极、集电极和发射极相连，控制电路23与驱动电路22连接，以控制功率半导体芯 片21的开通与关断，外部信号经过控制电路23和驱动电路22输入功率半导体芯片21 ；温 度传感器M放置在功率半导体芯片21处，其信号输出端与控制电路23连接；电流传感器 25的感应端连接在功率半导体芯片21的三个臂桥的电流输出端，电流传感器25的信号输 出端连接控制电路23。参见图3和图4，功率半导体芯片21包括多个IGBT芯片和FRD芯片，IGBT芯片与 FRD芯片反并联连接，构成IGBT单元，多个IGBT单元按一定规则连接，构成功率半导体芯片 21。功率半导体芯片21通过若干数量的IGBT芯片及FRD芯片反并联连接。即IGBT芯片的发射极与FRD芯片的阳极相连，IGBT芯片的集电极与FRD芯片的阴极相连，构成8个开 关电路单元。图4中，开关电路单元8只有FRD芯片而没有IGBT芯片，8个开关单元两两串 联，组成4个并联的桥臂，每个桥臂的中间都有一个输出端，分别为端口 A、B、C、D。工作时，温度传感器M检测功率半导体芯片21的温度，将温度值发送到控制电路 23，控制电路23根据温度值控制功率半导体芯片21的功率输入，避免功率半导体芯片21 温度过高，损坏功率半导体芯片21。电流传感器25获取检测功率半导体芯片21的输出电流，将输出电流值发送到控 制电路23，控制电路23依据输出电流值控制功率半导体芯片21的功率输出，带动负载运 行。本发明温度传感器M和电流传感器25集成到功率半导体芯片上，从而可以更加 准确地检测温度和电流，提高系统的可靠性。图5为智能功率装置电路原理图。Inl和为功率输入端，接直流母线；A、B、C 为功率输出端，接电机；D端接斩波电阻。la、lb、Ic和Ichop为用于检测电流的取样电阻， 起到电流传感器的作用；T为用于检测温度的温度传感器M。图6为智能功率装置剖视图。将功率半导体芯片21 (IGBT芯片和FRD芯片)按照 一定的比例通过焊料焊接在衬板51上，其中IGBT芯片与FRD芯片为反并联连接，将温度传 感器M和电流传感器25焊接在衬板上。将多个衬板21通过焊料焊接到基板52上，功率半导体芯片21的电极都将通过引 线53在衬板上进行互连；衬板51与衬板51的互连需要使用PCB (Printed Circuit Board) 板56来进行辅助，从而形成如图6所示的电路结构。而PCBl与衬板51之间使用辅助电极 54进行连接。智能功率装置装配塑料外壳55，对塑料外壳55内灌注绝缘胶。智能功率装置的顶 部为PCB板57，该PCB板57与PCB板56通过辅助电极进行连接，PCB板57集成了控制电 路22和驱动电路23。智能功率装置被安装到散热器上，构成了电动汽车用变流器。基板52采用铜基板或热导率更高的材料，并且较厚，可以利用基板52同时作为散 热器的功能，不需另外外接散热器，缩小智能功率装置的体积。该智能功率装置业余散热器 焊接在一起，散热器焊接在智能功率装置底部。本发明提供的电动汽车用集成智能功率装置是在IGBT模块封装的基础上，将驱 动电路、控制电路、电流传感器、及温度传感器全部集成一个模块内。驱动电路、控制电路电 流传感器、及温度传感器可以先在PCB上实现，然后再将PCB封装到IGBT模块内。该智能 功率装置的封装工艺与IGBT模块的封装工艺相兼容。将电动汽车变流器的功能集成到一个IGBT模块内，通过一个IGBT模块来实现现 有电动汽车变流器的功能，从而缩小变流器的体积，并提高变流器的可靠性。本发明智能功率装置所使用的功率半导体芯片可以是硅材料，也可以是碳化硅材 料。功率半导体芯片为IGBT芯片和FRD芯片，或者是将IGBT芯片和FRD芯片集成到一起 的功率半导体芯片。传统的IGBT模块是将IGBT芯片和FRD芯片通过反并联连接，封装在一个模块内， 起到开关元件的作用。同样地，传统的变流器需要使用8个IGBT模块通过一定的电路连接 (两两串联再并联)组成4个桥臂的结构(其中三个桥臂用来作为输出连接驱动电机，另外一个桥臂用来做斩波)，再配以驱动电路和控制电路以及专用散热器才能实现。本发明则是 由8个芯片/衬板级的开关元件封装到一个模块内，同时将驱动电路和控制电路以及传感 器一起也封装到同一个模块内，并利用该模块的基板进行散热，起到器散热的作用。因此， 本发明智能功率装置实质为具有变流器功能的模块，完全可以替代传统的变流器。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，也可以上述具体实施 方式的进行组合，这些改进、润饰及组合形成的技术方案也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种智能功率装置，其特征在于，包括封装成一体的功率半导体芯片、驱动电路、控 制电路和电流传感器，功率半导体芯片为四个桥臂结构，驱动电路与功率半导体芯片的栅 极、集电极和发射极相连，控制电路与驱动电路连接，以控制功率半导体芯片的开通与关 断；电流传感器获取检测功率半导体芯片的输出电流，将输出电流值发送到控制电路，控制 电路依据输出电流值控制功率半导体芯片的功率输出。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括与所述装置封装成一体的温度传感 器，温度传感器放置在功率半导体芯片处，信号输出端与控制电路连接；温度传感器检测功 率半导体芯片的温度，将温度值发送到控制电路，控制电路依据温度值控制功率半导体芯 片的功率输入。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，功率半导体芯片通过若干数量的IGBT芯片 及FRD芯片按比例反并联连接而成。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述功率半导体芯片焊接在衬板上。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，温度传感器焊接在衬板上。
6.如权利要求4所述的装置，其特征在于，电流传感器焊接在衬板上。
7.如权利要求5或6所述的装置，其特征在于，所述衬板通过辅助电极连接第一PCB板。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述智能功率装置的顶部为第二PCB板。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第一PCB板和第二 PCB板之间通过辅助 电极连接。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述驱动电路和控制电路设置在第一PCB 板或第二 PCB板上。
全文摘要
本发明涉及一种智能功率装置，包括封装成一体的功率半导体芯片、驱动电路、控制电路和电流传感器，该功率半导体芯片为四个桥臂结构；驱动电路与功率半导体芯片的栅极、集电极和发射极相连；控制电路与驱动电路连接，以控制功率半导体芯片的开通与关断；电流传感器获取检测功率半导体芯片的输出电流，将输出电流值发送到控制电路，控制电路依据输出电流值控制功率半导体芯片的功率输出。本发明集成多个功能元件，集成度较高，可节约设备空间。
文档编号H02M7/5387GK102082524SQ20111005378
公开日2011年6月1日 申请日期2011年3月7日 优先权日2011年3月7日
发明者丁荣军, 刘国友, 忻兰苑, 罗海辉, 覃荣震, 黄建伟 申请人:株洲南车时代电气股份有限公司