一种采样抗静电增强保护的智能功率模块的制作方法

本实用新型涉及智能功率模块的设计领域，特别是涉及智能功率模块的保护电路和静电抑制电路的设计。

背景技术：

智能功率模块，即IPM（Intelligent Power Module），是一种将电力电子和集成电路技术结合的功率驱动类产品。智能功率模块把功率开关器件和高压驱动电路集成在一起，并内藏有过电压、过电流和过热等故障检测电路。智能功率模块一方面接收MCU的控制信号，驱动后续电路工作，另一方面将系统的状态检测信号送回MCU。与传统分立方案相比，智能功率模块以其高集成度、高可靠性等优势赢得越来越大的市场，尤其适合于驱动电机的变频器及各种逆变电源，是变频调速，冶金机械，电力牵引，伺服驱动，变频家电的一种理想电力电子器件。

现行用于变频空调等领域的智能功率模块100的电路结构如图1所示：

HVIC管101的VCC端作为所述智能功率模块100的低压区供电电源正端VDD，VDD一般为15V；

在所述HVIC管101内部有自举电路，自举电路结构如下：

VCC端与自举二极管102、自举二极管103、自举二极管104的阳极相连；

所述自举二极管102的阴极与所述HVIC管101的VB1相连；

所述自举二极管103的阴极与所述HVIC管101的VB2相连；

所述自举二极管104的阴极与所述HVIC管101的VB3相连；

所述HVIC管101的HIN1端作为所述智能功率模块100的压机U相上桥臂输入端UHIN；

所述HVIC管101的HIN2端作为所述智能功率模块100的压机V相上桥臂输入端VHIN；

所述HVIC管101的HIN3端作为所述智能功率模块100的压机W相上桥臂输入端WHIN；

所述HVIC管101的LIN1端作为所述智能功率模块100的压机U相下桥臂输入端ULIN；

所述HVIC管101的LIN2端作为所述智能功率模块100的压机V相下桥臂输入端VLIN；

所述HVIC管101的LIN3端作为所述智能功率模块100的压机W相下桥臂输入端WLIN；

所述HVIC管101的PFCINP端作为所述智能功率模块100的PFC控制输入端PFCIN；

在此，所述智能功率模块100的UHIN、VHIN、WHIN、ULIN、VLIN、WLIN六路输入和PFCIN端接收0V或5V的输入信号；

所述HVIC管101的GND端作为所述智能功率模块100的低压区供电电源负端COM；

所述HVIC管101的ITRIP端作为所述智能功率模块100的电流检测vb端MTRIP；

所述HVIC管101的VB1端连接电容131的一端，并作为所述智能功率模块100的压机U相高压区供电电源正端UVB；

所述HVIC管101的HO1端与压机U相上桥臂IGBT管121的栅极相连；

所述HVIC管101的VS1端与所述IGBT管121的射极、FRD管111的阳极、压机U相下桥臂IGBT管124的集电极、FRD管114的阴极、所述电容131的另一端相连，并作为所述智能功率模块100的压机U相高压区供电电源负端UVS；

所述HVIC管101的VB2端连接电容132的一端，作为所述智能功率模块100的压机U相高压区供电电源正端VVB；

所述HVIC管101的HO2端与压机V相上桥臂IGBT管122的栅极相连；

所述HVIC管101的VS2端与所述IGBT管122的射极、FRD管112的阳极、压机V相下桥臂IGBT管125的集电极、FRD管115的阴极、所述电容132的另一端相连，并作为所述智能功率模块100的压机V相高压区供电电源负端VVS；

所述HVIC管101的VB3端连接电容133的一端，作为所述智能功率模块100的压机W相高压区供电电源正端WVB；

所述HVIC管101的HO3端与压机W相上桥臂IGBT管123的栅极相连；

所述HVIC管101的VS3端与所述IGBT管123的射极、FRD管113的阳极、压机W相下桥臂IGBT管126的集电极、FRD管116的阴极、所述电容133的另一端相连，并作为所述智能功率模块100的压机W相高压区供电电源负端WVS；

所述HVIC管101的LO1端与所述IGBT管124的栅极相连；

所述HVIC管101的LO2端与所述IGBT管125的栅极相连；

所述HVIC管101的LO3端与所述IGBT管126的栅极相连；

所述IGBT管124的射极与所述FRD管114的阳极相连，并作为所述智能功率模块100的压机U相低电压参考端UN；

所述IGBT管125的射极与所述FRD管115的阳极相连，并作为所述智能功率模块100的压机V相低电压参考端VN；

所述IGBT管126的射极与所述FRD管116的阳极相连，并作为所述智能功率模块100的压机W相低电压参考端WN；

所述HVIC管101的PFCO端与IGBT管127的栅极相连；

所述IGBT管127的射极与FRD管117的阳极相连，并作为所述智能功率模块100的PFC低电压参考端-VP；

所述IGBT管127的集电极与所述FRD管117的阴极、FRD管131的阳极相连，并作为所述智能功率模块100的PFC端；

所述FRD管131的阴极、所述IGBT管121的集电极、所述FRD管111的阴极、所述IGBT管122的集电极、所述FRD管112的阴极、所述IGBT管123的集电极、所述FRD管113的阴极相连，并作为所述智能功率模块100的高电压输入端P，P一般接300V。

所述HVIC管101的作用是：

VDD为所述HVIC管101的供电电源正端，GND为所述HVIC管101的供电电源负端；VDD-GND电压一般为15V；

VB1和VS1分别为U相高压区的电源的正极和负极，HO1为U相高压区的输出端；

VB2和VS2分别为V相高压区的电源的正极和负极，HO2为V相高压区的输出端；

VB3和VS3分别为U相高压区的电源的正极和负极，HO3为W相高压区的输出端；

LO1、LO2、LO3分别为U相、V相、W相低压区的输出端；

PFCO为PFC驱动电路的输出端；

将输入端HIN1、HIN2、HIN3的0或5V的逻辑输入信号分别传到输出端HO1、HO2、HO3，LIN1、LIN2、LIN3的信号分别传到输出端LO1、LO2、LO3，PFCINP的信号传到输出端PFCO，其中HO1是VS1或VS1+15V的逻辑输出信号、HO2是VS2或VS2+15V的逻辑输出信号、HO3是VS3或VS3+15V的逻辑输出信号，LO1、LO2、LO3、PFCO是0或15V的逻辑输出信号。

同一相的输入信号不能同时为高电平，即HIN1和LIN1、HIN2和LIN2、HIN3和LIN3不能同时为高电平。

所述UVS、VVS、WVS和PFC都接感性负载。

PFCINP则按一定的频率在高低电平间频繁切换，使所述IGBT管127持续处于开关状态而所述FRD管131持续处于续流状态，该频率一般为LIN1~LIN3、HIN1~HIN3开关频率的2~4倍，并且与LIN1~LIN3、HIN1~HIN3的开关频率没有直接联系。

可见，现行智能功率模块100的所述IGBT管124、所述IGBT管125、所述IGBT管126、所述IGBT管127的射极直接作为所述智能功率模块100的引脚，在所述智能功率模块100装配过程中，由于触碰到操作台、触碰到工人身体部位等原因，所述智能功率模块100很容易受到静电威胁，这些静电如果出现在UN、VN、WN、-VP引脚与COM引脚之间，相当于静电直接对所述IGBT管124、所述IGBT管125、所述IGBT管126、所述IGBT管127的栅极构成冲击，IGBT管的删氧是最容易被静电击穿的部位，所以现行智能功率模块100的设计上存在被安装过程中被静电损坏的缺陷。

事实上，如果这种损坏使IGBT管完全失效，在智能功率模块装配后的检测可以被检出避免流入市场，但如果这种损坏只使IGBT管发生微损伤，则智能功率模块装配后的检测将很难被发现，流入市场会引起制品的早期失效，IGBT管属于功率器件，有高压大电流流过，IGBT管失效瞬间极易发生过热烧毁，导致整个智能功率模块发生炸裂，智能功率模块的热积聚甚至会引起智能功率模块发生爆炸，严重时会发生火灾等安全事故。能否提升智能功率模块的抗静电能力，成为了影响智能功率模块普及应用的重要课题。

因此，现有技术存在缺陷，需要改进。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种高可靠性、高适应性的智能功率模块，可在保证智能功率模块在抗静电能力大幅提高的前提下，提高智能功率模块的性能。

本实用新型的技术方案如下：一种采样抗静电增强保护的智能功率模块，包括：HVIC管1101；分别与HVIC管1101连接的第一IGBT管1121、第二IGBT管1122、第三IGBT管1123、第四IGBT管1124、第五IGBT管1125、第六IGBT管1126和第七IGBT管1127；与各IGBT管一一对应的第一FRD管1111、第二FRD管1112、第三FRD管1113、第四FRD管1114、第五FRD管1115、第六FRD管1116和第七FRD管1117；以及采样电路1105和第八FRD管1131；其中，第四IGBT管1124的射极与第四FRD管1114的阳极相连，并连接采样电路1105的第一输入输出端；第五IGBT管1125的射极与第五FRD管1115的阳极相连，并连接采样电路1105的第二输入输出端；第六IGBT管1126的射极与第六FRD管1116的阳极相连，并连接采样电路1105的第三输入输出端；第七IGBT管1127的射极与第七FRD管1117的阳极相连，并连接采样电路1105的第四输入输出端；第七IGBT管1127的集电极与第七FRD管1117的阴极、第八FRD管1131的阳极相连，并作为智能功率模块1100的PFC端；采样电路1105的第五输入输出端作为智能功率模块1100的N1端；采样电路1105的第六输入输出端作为智能功率模块1100的N2端；并且，采样电路内部电路设置第二模拟开关2007、第三模拟开关2008、第四模拟开关2009和第一模拟开关2006；采样电路1105的第一输入输出端与第二模拟开关2007的固定端相连；采样电路1105的第二输入输出端与第三模拟开关2008的固定端相连；采样电路1105的第三输入输出端与第四模拟开关2009的固定端相连；采样电路1105的第四输入输出端与第一模拟开关2006的固定端相连。

应用于上述技术方案，所述的智能功率模块中，采样电路1105内部电路还设置有第五电阻2005、第四电阻2004、第一电阻2001、第二电阻2002和第三电阻2003；第一模拟开关2006的0选择端、第二模拟开关2007的0选择端、第三模拟开关2008的0选择端、第四模拟开关2009的0选择端与第五电阻2005的一端相连；第五电阻2005的另一端与N1端和N2端相连；第一模拟开关2006的1选择端与第四电阻2004的一端、第一电阻2001的一端、第二电阻2002的一端、第三电阻2003的一端相连并接N2端；第二模拟开关2007的1选择端与第一电阻2001的另一端相连；第三模拟开关2008的1选择端与第二电阻2002的另一端相连；第四模拟开关2009的1选择端与第三电阻2003的另一端相连；第四电阻2004的另一端接N1端。

应用于各个上述技术方案，所述的智能功率模块中，采样电路1105内部电路还设置有第六电阻2016、第七电阻2012、电压比较器2015、电压源2014、第一非门2010和第二非门2017，其中，VCC接第六电阻2016的一端；第六电阻2016的另一端接第七电阻2012的一端和电压比较器2015的正输入端；第七电阻2012的另一端接COM；电压比较器2015的负输入端接电压源2014的正端；电压源2014的负端接COM；电压比较器2015的输出端接第一非门2010的输入端；第一非门2010的输出端接第二非门2017的输入端；第二非门2017的输出端接第一模拟开关2006的控制端、第二模拟开关2007的的控制端、第三模拟开关2008的控制端、第四模拟开关2009的控制端。

应用于各个上述技术方案，所述的智能功率模块中，其电流为15A，功率大于5W，第一电阻2001、第二电阻2002、第三电阻2003设计为阻值10mΩ的毫欧电阻，各电阻类型为金属电阻或薄膜电阻。

应用于各个上述技术方案，所述的智能功率模块中，其电流为15A，功率为15W，第四电阻2004设计为阻值8mΩ的毫欧电阻，其电阻类型为金属电阻或薄膜电阻。

应用于各个上述技术方案，所述的智能功率模块中，第五电阻2005设计为0805封装的阻值1kΩ以上的薄膜电阻；第六电阻2016和第七电阻2012选择阻值为30kΩ的POLY电阻；电压源2014的电压值设计为7.5V。

采用上述方案，本实用新型的智能功率模块与现行智能功率模块相比，在电源上电后，与现行智能功率模块功能完全兼容，不影响智能功率模块的一般性使用，而在电源上电前，因为对下桥IGBT管和PFC用IGBT管静电保护机能的引入，大幅提高了智能功率模块非工作状态时的抗静电能力。一般地，在智能功率模块工作时，因为电路中电压和电流通路的存在，不会使电子元件特别是功率器件引起静电破坏，而非工作状态时才会因为静电的积聚和瞬间放电造成电路被静电破坏。因此，本实用新型的智能功率模块在电源非上电状态时对智能功率模块构成静电保护，可以有效地预防智能功率模块被静电击穿的风险，特别是在智能功率模块在生产线上被装配的过程中被静电破坏的风险，保证了智能功率模块出厂的品质，这对于维持应用系统稳定性，提供产品的用户满意度，降低产品投诉，维护品牌形象有极大促进作用。

附图说明

图1为现有技术的结构电路图；

图2为本实用新型的结构电路图；

图3为本实用新型中采样电路的结构电路图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本实用新型进行详细说明。

本实施例提供了一种采样抗静电增强保护的智能功率模块，智能功率模块1100结构图如图2所示。

HVIC管1101的VCC端作为所述智能功率模块1100的低压区供电电源正端VDD，VDD一般为15V；

所述HVIC管1101内部还有自举电路结构如下：

VCC端与自举二极管1102、自举二极管1103、自举二极管1104的阳极相连；

所述自举二极管1102的阴极与所述HVIC管1101的VB1相连；

所述自举二极管1103的阴极与所述HVIC管1101的VB2相连；

所述自举二极管1104的阴极与所述HVIC管1101的VB3相连。

所述HVIC管1101的HIN1端为所述智能功率模块1100的U相上桥臂输入端UHIN；

所述HVIC管1101的HIN2端为所述智能功率模块1100的V相上桥臂输入端VHIN；

所述HVIC管1101的HIN3端为所述智能功率模块1100的W相上桥臂输入端WHIN；

所述HVIC管1101的LIN1端为所述智能功率模块1100的U相下桥臂输入端ULIN；

所述HVIC管1101的LIN2端为所述智能功率模块1100的V相下桥臂输入端VLIN；

所述HVIC管1101的LIN3端为所述智能功率模块1100的W相下桥臂输入端WLIN；

所述HVIC管1101的PFCINP端作为所述智能功率模块100的PFC控制输入端PFCIN；

在此，所述智能功率模块1100的UHIN、VHIN、WHIN、ULIN、VLIN、WLIN六路输入和PFCIN端接收0V或5V的输入信号；

所述HVIC管1101的ITRIP端为所述智能功率模块1100的MTRIP端；

在此，所述智能功率模块1100的UHIN、VHIN、WHIN、ULIN、VLIN、WLIN六路输入接收0V或5V的输入信号；

所述HVIC管1101的GND端作为所述智能功率模块1100的低压区供电电源负端COM；

所述HVIC管1101的VB1端连接电容1131的一端，并作为所述智能功率模块1100的压机U相高压区供电电源正端UVB；

所述HVIC管1101的HO1端与压机U相上桥臂IGBT管1121的栅极相连；

所述HVIC管1101的VS1端与所述第一IGBT管1121的射极、第一FRD管1111的阳极、压机U相下桥臂第四IGBT管1124的集电极、第四FRD管1114的阴极、所述电容1131的另一端相连，并作为所述智能功率模块1100的压机U相高压区供电电源负端UVS；

所述HVIC管1101的VB2端连接电容1132的一端，作为所述智能功率模块1100的压机U相高压区供电电源正端VVB；

所述HVIC管1101的HO2端与压机V相上桥臂第二IGBT管1122的栅极相连；

所述HVIC管1101的VS2端与所述第二IGBT管1122的射极、第二FRD管1112的阳极、压机V相下桥臂第五IGBT管1125的集电极、第五FRD管1115的阴极、所述电容1132的另一端相连，并作为所述智能功率模块1100的压机V相高压区供电电源负端VVS；

所述HVIC管1101的VB3端连接电容1133的一端，作为所述智能功率模块1100的压机W相高压区供电电源正端WVB；

所述HVIC管1101的HO3端与压机W相上桥臂第三IGBT管1123的栅极相连；

所述HVIC管1101的VS3端与所述第三IGBT管1123的射极、第三FRD管1113的阳极、压机W相下桥臂第六IGBT管1126的集电极、第六FRD管1116的阴极、所述电容1133的另一端相连，并作为所述智能功率模块1100的压机W相高压区供电电源负端WVS；

所述HVIC管1101的LO1端与所述第四IGBT管1124的栅极相连；

所述HVIC管1101的LO2端与所述第五IGBT管1125的栅极相连；

所述HVIC管1101的LO3端与所述第六IGBT管1126的栅极相连；

所述IGBT管1124的射极与所述第四FRD管1114的阳极相连，并连接采样电路1105的第一输入输出端；

所述IGBT管1125的射极与所述第五FRD管1115的阳极相连，并连接所述采样电路1105的第二输入输出端；

所述IGBT管1126的射极与所述第六FRD管1116的阳极相连，并连接所述采样电路1105的第三输入输出端；

所述HVIC管1101的PFCO端与第七IGBT管1127的栅极相连；

所述IGBT管1127的射极与第七FRD管1117的阳极相连，并连接所述采样电路1105的第四输入输出端；

所述第七IGBT管1127的集电极与所述第七FRD管1117的阴极、第八FRD管1131的阳极相连，并作为所述智能功率模块1100的PFC端；

所述采样电路1105的第五输入输出端作为所述智能功率模块1100的N1端；

所述采样电路1105的第六输入输出端作为所述智能功率模块1100的N2端；

VDD作为所述采样电路1105的供电电源正端；

COM作为所述采样电路1105的供电电源负端；

所述第八FRD管1131的阴极、所述第一IGBT管1121的集电极、所述第一FRD管1111的阴极、所第二述IGBT管1122的集电极、所述第二FRD管1112的阴极、所述第三IGBT管1123的集电极、所述第三FRD管1113的阴极相连，并作为所述智能功率模块1100的高电压输入端P，P一般接300V。

所述HVIC管1101的作用是：

VDD为所述HVIC管1101供电电源正端，GND为所述HVIC管1101的供电电源负端；VDD-GND电压一般为15V；

VB1和VS1分别为U相高压区的电源的正极和负极，HO1为U相高压区的输出端；

VB2和VS2分别为V相高压区的电源的正极和负极，HO2为V相高压区的输出端；

VB3和VS3分别为U相高压区的电源的正极和负极，HO3为W相高压区的输出端；

LO1、LO2、LO3分别为U相、V相、W相低压区的输出端；

PFCO为PFC驱动电路的输出端；

将输入端HIN1、HIN2、HIN3的0或5V的逻辑输入信号分别传到输出端HO1、HO2、HO3，LIN1、LIN2、LIN3的信号分别传到输出端LO1、LO2、LO3，PFCINP的信号传到输出端PFCO，其中HO1是VS1或VS1+15V的逻辑输出信号、HO2是VS2或VS2+15V的逻辑输出信号、HO3是VS3或VS3+15V的逻辑输出信号，LO1、LO2、LO3、PFCO是0或15V的逻辑输出信号。

而所述采样电路1105的作用是：

在所述智能功率模块1100的电源尚未上电时，使所述第四IGBT管1124、所述第五IGBT管1125、所述第六IGBT管1126、所述第七IGBT管1127具备静电保护机能；

在所述智能功率模块1100的电源已经上电时，撤销所述第四IGBT管1124、所述第五IGBT管1125、所述I第六GBT管1126、所述第七IGBT管1127的静电保护机能撤销。

所述采样电路1105可以是如图3的结构，如下：

所述采样电路1105的第一输入输出端与第二模拟开关2007的固定端相连；

所述采样电路1105的第二输入输出端与第三模拟开关2008的固定端相连；

所述采样电路1105的第三输入输出端与第四模拟开关2009的固定端相连；

所述采样电路1105的第四输入输出端与第一模拟开关2006的固定端相连；

所述第一模拟开关2006的0选择端、所述第二模拟开关2007的0选择端、所述第三模拟开关2008的0选择端、所述第四模拟开关2009的0选择端与第五电阻2005的一端相连；

所述第五电阻2005的另一端与N1端和N2端相连；

所述第一模拟开关2006的1选择端与第四电阻2004的一端、第一电阻2001的一端、第二电阻2002的一端、第三电阻2003的一端相连并接N2端；

所述第二模拟开关2007的1选择端与所述第一电阻2001的另一端相连；

所述第三模拟开关2008的1选择端与所述第二电阻2002的另一端相连；

所述第四模拟开关2009的1选择端与所述第三电阻2003的另一端相连；

所述第四电阻2004的另一端接N1端；

VCC接第六电阻2016的一端；

所述第六电阻2016的另一端接第七电阻2012的一端和电压比较器2015的正输入端；

所述第七电阻2012的另一端接COM；

所述电压比较器2015的负输入端接电压源2014的正端；

所述电压源2014的负端接COM；

所述电压比较器2015的输出端接第一非门2010的输入端；

所述第一非门2010的输出端接第二非门2017的输入端；

所述第二非门2017的输出端接所述第一模拟开关2006的控制端、所述第二模拟开关2007的的控制端、所述第三模拟开关2008的控制端、所述第四模拟开关2009的控制端。

所述第一电阻2001、所述第二电阻2002、所述第三电阻2003可以考虑设计为阻值10mΩ左右的毫欧电阻，对于15A的智能功率模块，功率为5W以上，电阻类型可以选择金属电阻或薄膜电阻；

所述第四电阻2004可以考虑设计为阻值8mΩ左右的毫欧电阻，对于15A的智能功率模块，功率为15W，电阻类型可以选择金属电阻或薄膜电阻；

所述第五电阻2005可以考虑设计为0805封装的阻值1kΩ以上的薄膜电阻；

所述第六电阻2016和所述第七电阻2012可选择阻值为30kΩ的POLY电阻；所述电压源2014的电压值可设计为7.5V，则

当VCC上电后，所述电压比较器2015输出高电平，使所述第一模拟开关2006的固定端接1选择端、所述第二模拟开关2007的固定端接1选择端、所述第三模拟开关2008的固定端接1选择端、所述第四模拟开关2009的固定端接1选择端，

当VCC断电时，所述电压比较器2015输出低电平，使所述第一模拟开关2006的固定端接0选择端、所述第二模拟开关2007的固定端接0选择端、所述第三模拟开关2008的固定端接0选择端、所述第四模拟开关2009的固定端接0选择端。

则当VCC上电后，N1端为功率矫正部分的单电阻采样信号端，N2端为逆变部分的三电阻采样信号端；

第四模拟开关2009的固定端接0选择端。

则当VCC上电时，所述第四IGBT管1124的射极、所述第五IGBT管1125的射极、所述第六IGBT管1126的射极、所述第七IGBT管1127的射极相连并接所述第五电阻2005，大幅提高了所述第四IGBT管1124、所述第五IGBT管1125、所述第六IGBT管1126、所述第七IGBT管1127对N1端和N2端的静电防止能力。

以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。