一种单周期电流控制功率模块装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种单周期电流控制功率模块装置，其包括用于接收PWM信号并驱动功率开关组件B1工作的驱动电路；还包括用于采集功率开关组件B1工作电流的电流检测装置，所述电流检测装置与单周期电流控制电路连接，单周期电流控制电路的输出端与驱动电路连接，单周期电流控制电路的输入端接收PWM信号；电流检测装置将检测到的功率开关组件B1的工作电流传输至单周期电流控制电路；本发明能产生过流保护信号，此过流保护信号能立即关闭并锁存开关组件，保证开关组件中的电流不至于过大，当下一个PWM脉冲信号到后，能自动解锁并驱动开关组件，让功率模块继续有效工作。
【专利说明】一种单周期电流控制功率模块装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种功率模块装置，尤其是一种单周期电流控制功率模块装置，属于功率模块控制的【技术领域】。
【背景技术】
[0002]目前市场上对于传统的功率模块的保护措施，一般为米样电流输出给外部控制电路，再由外部控制电路给出保护信号，通过保护信号关闭驱动电路的方式来保护功率模块，其存在如下不足之处:
1、功率模块内部检测电流装置发出过流信号给外部控制电路，再由外部控制电路判断和关闭驱动电路，这种控制方式存在着信号延时。因为开关组件过流损坏发生过程的时间非常短，当发生过流情况时，在此信号延时时间内，控制器还未做出保护动作，而开关组件可能已过流损坏。
[0003]2、功率模块内部检测电流装置发出过流信号，控制电路关闭并锁存驱动电路后，关闭与锁存信号不能自动恢复，功率模块有可能停止工作。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种单周期电流控制功率模块装置，其能触发产生过流保护信号，过流保护信号能立即关闭并锁存开关组件，保证开关组件中的电流不至于过大，当下一个控制脉冲信号到后，能自动解锁并驱动开关组件，让功率模块继续有效工作。
[0005]按照本发明提供的技术方案，所述单周期电流控制功率模块装置，包括用于接收PWM信号并驱动功率开关组件BI工作的驱动电路；还包括用于采集功率开关组件BI工作电流的电流检测装置，所述电流检测装置与单周期电流控制电路连接，单周期电流控制电路的输出端与驱动电路连接，单周期电流控制电路的输入端接收PWM信号；电流检测装置将检测得到的功率开关组件BI的工作电流传输至单周期电流控制电路；
当所述功率开关组件BI的工作电流与单周期电流控制电路中预设的保护电流匹配时，单周期电流控制电路向驱动电路传输驱动停止信号，以通过驱动电路关闭功率开关组件BI，直至下一周期的PWM输入信号触发单周期电流控制电路；PWM输入信号触发单周期电流控制电路后，所述单周期电流控制电路向驱动电路传输驱动启动信号，以通过驱动电路驱动功率开关组件BI工作。
[0006]所述功率开关组件BI包括至少一个功率开关元件，所述功率开关元件为DBC基板或金属基板上装有至少一个芯片的结构，或在金属基板或PCB基板上设置有至少一个分立功率开关器件的结构。
[0007]所述芯片、分立功率开关器件为全控型半导体器件或半控型半导体器件。
[0008]所述单周期电流控制电路包括至少一个电压比较器电路以及至少一个触发器电路，所述电压比较器电路的输出端与触发器电路的置位端连接，触发器电路的输出端与驱动电路连接，触发器电路的复位端与PWM信号连接。
[0009]所述电流检测装置包括采样电阻电路或电流互感器。
[0010]所述单周期电流控制电路中的预设保护电流通过电压比较器电路直接设定，或根据功率开关组件BI的工作状态对电压比较器电路直接设定的预设保护电流进行调节。
[0011]所述触发器电路包括复位端可接收至少一路PWM信号的触发器，触发器的置位端与电压比较器电路连接，电压比较器电路包括至少一个电压比较器，所述电压比较器的一个输入端与电流检测装置的输出端连接，电压比较器的另一输入端与设定分压电路连接；电压比较器的输出端连触发器的置位端，以能对触发器进行置位。
[0012]本发明的优点:采用单周期电流控制技术后，功率开关组件中每个工作周期内所承受的电流由PWM信号控制，一旦PWM信号失控，造成功率开关组件中的电流快速增加，在功率开关组件的过流保护点快速关闭功率开关组件，从而安全可靠地保护开关组件，提高功率开关组件的可靠性。
[0013]在一个工作周期内，当功率开关组件产生过电流时，电压比较器电路和触发器电路关闭并锁存功率开关组件的驱动电路，让功率开关组件中不再流过电流。下一个周期的PWM信号能迅速复位触发器电路，解锁过流保护信号，使PWM信号通过驱动电路驱动功率开关组件，让功率开关组件正常工作。
[0014]通过可调比较电压的方式，可让功率开关组件内开关组件的过电流设定点变化。如在环境温度比较高时，一般开关组件的最大允许电流会减小，这时可通过将过电流设定点的比较电压降低，从而使开关组件中流过的最大电流也相应降低，功率模块得到可靠地保护。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为本发明的结构框图。
[0016]图2为本发明多个采样电阻构成电流检测装置的结构框图。
[0017]图3为本发明单个采样电阻构成电流检测装置的结构框图。
[0018]图4为本发明集成采样极的结构框图。
[0019]图5为本发明可调比较电压的结构框图。
【具体实施方式】
[0020]下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0021]如图1所示:本发明包括用于接收PWM (Pulse Width Modulat1n)信号并驱动功率开关组件BI工作的驱动电路；还包括用于采集功率开关组件BI工作电流的电流检测装置，所述电流检测装置与单周期电流控制电路连接，单周期电流控制电路的输出端与驱动电路连接，单周期电流控制电路的输入端接收PWM信号；电流检测装置将检测到的功率开关组件BI中的工作电流传输至单周期电流控制电路；
当所述功率开关组件BI的工作电流与单周期电流控制电路中预设的保护电流匹配时，单周期电流控制电路向驱动电路传输驱动停止信号，以通过驱动电路关闭功率开关组件BI的工作状态，直至下一周期的PWM信号触发单周期电流控制电路；PWM信号触发单周期电流控制电路后，所述单周期电流控制电路向驱动电路传输驱动启动信号，以通过驱动电路驱动功率开关组件BI工作。
[0022]本发明实施例中，功率开关组件BI的工作电流与单周期电流控制电路中预设的保护电流匹配是指功率开关组件BI的工作电流大于单周期电流控制电路中预设保护电流，也即是功率开关组件BI的工作电流处于过流状态，此时，单周期电流控制电路向驱动电路传输停止信号，能实现对功率开关组件BI的过流保护。与此同时，单周期电流控制电路还能对过流保护信号进行锁定，单周期电流控制电路对过流保护信号锁定直至下一周期的PWM信号触发为止，当下一周期的PWM信号触发单周期电流控制电路后，单周期电流控制电路能解锁过流保护信号，并通过驱动电路再次驱动功率开关组件BI工作，提高功率开关组件BI的可靠性。
[0023]进一步，所述功率开关组件BI包括至少一个功率开关元件，所述功率开关元件为DBC (Direct Bonding Copper)基板或金属基板上装有至少一个芯片的结构，或在金属基板或PCB (Printed Circuit Board)基板上设置有至少一个分立功率开关器件的结构。所述芯片、分立功率开关器件为全控型半导体器件或半控型半导体器件。
[0024]所述在DBC基板或金属基板主要是为安装的芯片结构进行散热，采用全控型半导体器件或半控型半导体器件均为本【技术领域】通常采用的功率开关元件的形式，在DBC基板或金属基板上装有芯片结构是指将多个功率开关元件以集成的形式存在，金属基板一般可以采用铝基板、铜基板或铁基板等。
[0025]进一步，所述单周期电流控制电路包括至少一个电压比较器电路以及至少一个触发器电路，所述电压比较器电路的输出端与触发器电路的置位端连接，触发器电路的输出端与驱动电路连接，触发器电路的复位端与PWM信号连接。
[0026]其中，电压比较器电路可以采用多个分立的电压比较器构成，也可以采用集成多个电压比较器的芯片，具体采用何种方式均为本【技术领域】所熟知。触发器电路可以采用多个数字门电路来形成，也可以采用标准化的触发器。在具体实施时，还可以采用电压比较器电路以及触发器电路集成在一起的集成电路，或者是电压比较器电路与触发器电路的分立电路形式。电压比较器电路中电压比较器的数量可以根据功率开关组件BI中功率开关元件的数量进行相应设置。
[0027]所述单周期电流控制电路中的预设保护电流通过电压比较器电路直接设定，或根据功率开关组件BI的工作状态对电压比较器电路直接设定的预设保护电流进行调节。本发明实施例中，根据功率开关组件BI的工作环境、电路工作状态进行调节，从而使得功率开关组件BI的最大保护电流可以进行相应调节。
[0028]所述触发器电路包括至少一个触发器和信号处理电路，触发器的复位端接收PWM信号，触发器的置位端与电压比较器电路连接，电压比较器电路包括至少一个电压比较器，所述电压比较器的同相端与电流检测装置的输出端连接，电压比较器的一个输入端与设定分压电路连接。
[0029]本发明实施例中，电压比较器对功率开关组件BI的工作电流与设定的保护电流进行比较，当功率开关组件BI的工作电流大于设定的保护电流时，电压比较器能向触发器电路输出过流信号，只要电压比较器电路中有过流信号输入时，触发器均会向驱动电路传输驱动停止信号，以避免功率开关组件BI处于过流工作状态。
[0030]所述电流检测装置包括采样电阻电路或电流互感器。具体地，所述电流检测装置可以采用功率开关组件串接电阻的方式，让功率开关组件中的电流在电阻上形成电压，以供电压比较器电路比较后产生过流信号，所述电流检测装置也可以采用电流互感器的方式，让功率开关组件中的电流在电流互感器的副边形成电压，以供电压比较器电路比较产生过流信号。所述电流检测装置还可以采用功率开关组件集成电流检测极的方式，让功率开关组件BI中的电流在电流检测极上形成电压，以供电压比较器电路比较产生过流信号。图1中示出了电流检测装置包括采样电阻R1、采样电阻R2以及采样电阻R3的实施连接情况。
[0031]如图2所示，所述电流检测装置包括电阻R6、电阻R7以及电阻R8，单周期电流控制电路包括电压比较器Ul、电压比较器U2、电压比较器U3、触发器U4、电阻R4、电阻R5以及电压VCC ;PWM信号与触发器U4的复位端连接，触发器U4的输出端与驱动电路连接，电压VCC,电阻R4、电阻R5构成设定分压电路，电压比较器Ul、电压比较器U2、电压比较器U3的输出端与触发器U4的各个置位端连接，电压比较器Ul的一输入端、电压比较器U2的一输入端以及电压比较器U3的一输入端均与电阻R4的一端以及电阻R5的一端连接，电阻R5的另一端接地，电阻R4的另一端与电压VCC连接，电压比较器Ul的另一输入端与电阻R6的一端连接，电阻R6的另一端接地，电压比较器U2的另一输入端与电阻R7的一端连接，电阻R7的另一端接地，电压比较器U3的另一输入端与电阻R8的一端连接，电阻R8的另一端接地。
[0032]在具体实施时，电压VCC、电阻R4以及电阻R5的取值可以根据需要设定，从而能在电压比较器Ul、电压比较器U2以及电压比较器U3的输入端得到不同的电压值，即能形成不同的预设保护电流。
[0033]当功率开关组件BI正常工作时，采样电阻R6、采样电阻R7以及采样电阻R8上均产生与功率开关组件BI中的电流成线性比例关系的电压，此电压分别输入到电压比较器U1、电压比较器U2以及电压比较器U3的一个输入端，由于功率开关组件BI正常工作时，采样电阻R6、采样电阻R7以及采样电阻R8上的电压低于电压比较器U1、电压比较器U2以及电压比较器U3 —个输入端的电压，因此电压比较器U1、电压比较器U2以及电压比较器U3均输出一个固定的电平，允许驱动电路正常工作，PWM信号控制功率开关组件BI连续工作，整个功率开关组件BI正常输出功率。
[0034]当在采样电阻R6，采样电阻R7以及采样电阻R8中的任一电阻上产生过电流信号，均会使采样电阻R6，采样电阻R7，采样电阻R8上的电压升高，当采样电阻R6，采样电阻R7，米样电阻R8中任一电阻上的电压高于相应的电压比较器另一输入端的电压时，相应的电压比较器反转输出与原先相反的电平，电压比较器输出的电平变化触发触发器U4，触发器U4的输出状态反转并关闭驱动电路，功率开关组件BI中的电流关断，保护了功率开关组件BI不因产生过电流而损坏，触发器U4产生并锁存过电流信号，即使功率开关组件BI中的电流已降低到正常电流，触发器U4仍然能关闭驱动电路，直到下一个PWM脉冲周期来临时，PWM信号的上升沿给触发器U4复位信号，使触发器U4输出恢复正常电平，从而允许驱动电路工作，功率开关组件BI继续正常工作。
[0035]如图3所示，为单个采样电阻的单周期电流控制功率模块实施例，其中，电流检测装置包括电阻R11，单周期电流控制电路包括触发器U5、电压比较器U6、电阻R9、电阻RlO以及电压VCC ;其中，电阻R9、电阻RlO以及电压VCC形成设定分压电路，电压比较器U6形成电压比较器电路，触发器U5形成触发器电路。PWM驱动信号与触发器U5的复位端连接，电压比较器U6的输出端与触发器U5的置位端连接，电压比较器U6的一个输入端与电阻R9的一端、电阻RlO的一端连接，电阻RlO的另一端接地，电阻R9的另一端与电压VCC连接，电压比较器U6的另一输入端与电阻Rll的一端连接，电阻Rll的另一端接地，电阻Rll的一端也与功率开关组件BI相连。
[0036]当功率开关组件BI正常工作时，采样电阻Rll上产生与功率开关组件BI中的电流成线性比例的电压，此电压输入到电压比较器U6的一个输入端，由于正常工作时米样电阻Rll上的电压低于电压比较器U6另一输入端的电压，因此电压比较器U6输出一个固定电平，允许驱动电路正常工作，PWM信号控制功率开关组件BI连续工作，整个功率开关组件BI正常输出功率。
[0037]当采样电阻Rll上的电压高于电压比较器U6—个输入端的电压时，电压比较器U6反转输出与原先相反的电平，电压比较器U6输出电平的变化触发触发器U5，触发器U5反转输出与原先相反的电平并关闭驱动电路，功率开关组件BI中的电流关断，保护了功率开关组件BI不因产生过电流而损坏，此触发器U5能产生并锁存过电流信号，即使功率开关组件BI中的电流已降低到正常电流，触发器U5仍然能关闭驱动电路，直到下一个PWM脉冲周期来临时，PWM信号的上升沿给触发器U4复位信号，使触发器U5电路输出原先的电平，从而允许驱动电路工作，功率开关组件BI继续正常工作。
[0038]如图4所示，为集成采样极的单周期电流控制功率模块装置实施例，其中，所述电流检测装置包括电阻R14、电阻R15以及电阻R16，单周期电流控制电路包括电压比较器U7、电压比较器U8、电压比较器U9、触发器U10、电阻R12、电阻R13以及电压VCC ;PWM驱动信号与触发器UlO的复位端连接，触发器UlO的输出端与驱动电路连接；电压VCC、电阻R12、电阻R13构成设定分压电路，电压比较器U7、电压比较器U8、电压比较器U9的输出端与触发器UlO的置位端连接，电压比较器U7的一个输入端、电压比较器U8的一个输入端以及电压比较器U9的一个输入端均与电阻R12的一端以及电阻R13的一端连接，电阻R13的另一端接地，电阻Rl2的另一端与电压VCC连接，电压比较器U7的另一输入端与电阻Rl4的一端连接，电阻R14的另一端接地，电压比较器U8的另一输入端与电阻R15的一端连接，电阻R15的另一端接地，电压比较器U9的另一输入端与电阻R16的一端连接，电阻R16的另一端接地。功率开关组件BI是带有内部电流检测装置的功率器件，即功率开关组件BI的功率开关带有电流采样输出极。电阻R14、电阻R15以及电阻R16分别连接到功率开关组件BI的电流米样输出极上。
[0039]当功率开关组件BI正常工作时，采样电阻R14、采样电阻R15、采样电阻R16上的电压分别输入到电压比较器U7、电压比较器U8以及电压比较器U9的一个输入端，由于正常工作时采样电阻上的电压低于电压比较器一个输入端的电压，因此电压比较器U7、电压比较器U8以及电压比较器U8均输出一个固定电平，允许驱动电路正常工作，PWM信号控制功率开关组件BI连续工作，整个功率开关组件BI正常输出功率。
[0040]当功率开关组件BI内任一功率开关产生过电流信号，均会使采样电阻R14，采样电阻R15，采样电阻R16上的电压升高，当采样电阻R14、采样电阻R15或采样电阻R16上的电压高于相应的电压比较器输入端的电压时，相应的电压比较器反转输出与原先相反的电平，电压比较器的输出电平的变化触发触发器U10，触发器UlO输出与原先相反的电平并关闭驱动电路，功率开关组件BI中的电流关断，保护了功率开关组件BI不因产生过电流而损坏，此触发器UlO能产生并锁存过电流信号，即使功率开关组件BI中的电流已降低到正常电流，触发器UlO仍然能关闭驱动电路，直到下一个PWM脉冲周期来临时，PWM输入信号的上升沿给触发器UlO复位信号，使触发器UlO输出原先的电平，从而允许驱动电路工作，功率开关组件BI继续正常工作。
[0041]如图5所示，为可调比较电压的单周期电流控制功率模块装置，电流检测装置包括电阻R19，单周期电流控制电路包括触发器U11、电压比较器U12、电阻R17、电阻R18、电压比较器U13以及电压VCC ;其中，电阻R17、电阻R18以及电压VCC形成设定分压电路，电压比较器U12形成电压比较器电路，触发器Ul I形成触发器电路。PWM驱动信号与触发器Ul I的复位端连接，电压比较器U12的输出端与触发器Ull的置位端连接，电压比较器U12的一个输入端与电阻R17的一端、电阻R18的一端连接，电阻R18的另一端接地，电阻R17的另一端与电压VCC连接，电压比较器U12的另一输入端与电阻R19的一端连接，电阻R19的另一端接地，电阻R19的一端也与功率开关组件BI相连。电压比较器U12的一个输入端还与电压比较器U13的输出端连接，电压比较器U13的反相端与所述电压比较器U13的输出端连接，形成电压跟随器。电压比较器U13的同相端与控制器的比较电压连接，此外，控制板还能检测功率开关组件BI的温度信号。
[0042]当功率开关组件BI正常工作时，采样电阻R19上的电压同功率开关组件BI中的电流成线性比例关系，此电压输入到电压比较器U12的一个输入端，由于正常工作时采样电阻R19上的电压低于电压比较器U12 —个输入端的电压，因此电压比较器U12输出一固定电平，允许驱动电路正常工作，PWM信号控制功率开关组件BI连续工作，整个功率开关组件BI正常输出功率。
[0043]当功率开关组件BI中产生过电流信号，会使采样电阻R9上的电压升高，当电阻R19上的电压高于电压比较器U12 —个输入端的电压时，电压比较器U12反转输出相反的电平，电压比较器U12输出电平的变化触发触发器U11，触发器U12输出与原先相反的电平并关闭驱动电路，功率开关组件BI中的电流关断，保护了功率开关组件BI不因产生过电流而损坏，此触发器Ull能产生并锁存过电流信号。在这个工作周期内，即使功率开关组件BI中的电流已降低到正常电流，触发器Ull仍然能关闭驱动电路，直到下一个PWM脉冲周期来临时，PWM信号的上升沿给触发器Ull复位信号，使触发器Ull输出原先的电平，从而允许驱动电路工作，功率开关组件BI继续正常工作。
[0044]当功率开关组件BI的环境温度升高时，功率开关组件BI的许用电流会降低，此时应根据开关组件的温度电流降额特性曲线，将电压比较器U12 —个输入端的电压降低，此时功率开关组件BI中的最大许用电流也就降低，从而保证了功率开关组件BI能够在高温的环境下安全工作。具体实施时，根据功率开关组件BI的温度信号，降低电压比较器U12一个输入端的电压。当然，在具体实施时，还可以通过其他方式来调节电压比较器U12—个输入端的电压，来达到调节预设保护电流的目的。
[0045]本发明采用单周期电流控制技术后，功率开关组件BI中每个工作周期内所承受的电流由PWM信号控制，一旦PWM信号失控，造成功率开关组件BI中的电流快速增加，在功率开关组件BI的过流保护点快速关闭功率开关组件BI，从而安全可靠地保护开关组件，提高功率开关组件BI的可靠性。[0046]在一个工作周期内，当功率开关组件BI产生过电流时，电压比较器电路和触发器电路关闭并锁存功率开关组件BI的驱动电路，让功率开关组件BI中不再流过电流。下一个周期的PWM信号的上升沿能迅速复位触发器电路，解锁过流保护信号，使PWM信号通过驱动电路驱动功率开关组件BI，让功率开关组件BI正常工作。
[0047]通过可调比较电压的方式，可让功率开关组件BI的过电流设定点变化。如在环境温度比较高时，一般开关组件的最大允许电流会减小，这时可通过将过电流设定点的比较电压降低，从而使开关组件中流过的最大电流也相应降低，功率模块得到可靠地保护。
【权利要求】
1.一种单周期电流控制功率模块装置，其特征是:包括用于采集功率开关组件BI工作电流的电流检测装置，所述电流检测装置与单周期电流控制电路连接，单周期电流控制电路的输出端与功率模块的驱动电路连接，单周期电流控制电路的输入端接收PWM驱动信号；电流检测装置将检测到的功率开关组件BI的工作电流传输至单周期电流控制电路； 当所述功率开关组件BI的工作电流与单周期电流控制电路中预设的保护电流匹配时，单周期电流控制电路向驱动电路传输驱动停止信号，以通过驱动电路关闭功率开关组件BI，直至下一周期的PWM信号触发单周期电流控制电路；PWM信号触发单周期电流控制电路后，所述单周期电流控制电路向驱动电路传输驱动启动信号，以通过驱动电路驱动功率开关组件BI工作。
2.根据权利要求1所述的单周期电流控制功率模块装置，其特征是:所述功率开关组件BI包括至少一个功率开关元件，所述功率开关元件为DBC基板或金属基板上装有至少一个芯片的结构，或在金属基板或PCB基板上设置有至少一个分立功率开关器件的结构。
3.根据权利要求2所述的单周期电流控制功率模块装置，其特征是:所述芯片、分立功率开关器件为全控型半导体器件或半控型半导体器件。
4.根据权利要求1所述的单周期电流控制功率模块装置，其特征是:所述单周期电流控制电路包括至少一个电压比较器电路以及至少一个触发器电路，所述电压比较器电路的输出端与触发器电路的置位端连接，触发器电路的输出端与驱动电路连接，触发器电路的复位端与PWM信号连接。
5.根据权利要求1所述的单周期电流控制功率模块装置，其特征是:所述电流检测装置包括采样电阻电路或电流互感器。
6.根据权利要求4所述的单周期电流控制功率模块装置，其特征是:所述单周期电流控制电路中的预设保护电流通过电压比较器电路直接设定，或根据功率开关组件BI的工作状态对电压比较器电路直接设定的预设保护电流进行调节。
7.根据权利要求4所述的单周期电流控制功率模块装置，其特征是:所述触发器电路包括复位端可接收至少一路PWM信号的触发器，触发器的置位端与电压比较器电路连接，电压比较器电路包括至少一个电压比较器，所述电压比较器的一个输入端与电流检测装置的输出端连接，电压比较器的另一输入端与设定分压电路连接；电压比较器的输出端连触发器的置位端，以能对触发器进行置位。
【文档编号】H02H3/08GK104037718SQ201410274393
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年6月18日 优先权日:2014年6月18日
【发明者】朱袁正, 张心益 申请人:无锡新洁能股份有限公司