一种智能功率模块的制作方法

1.本发明涉及智能功率模组技术领域，尤其涉及一种智能功率模块。


背景技术：

2.智能功率模块(intelligent power module，ipm)是一种将电力电子和集成电路hvic技术结合的功率驱动类半导体产品。内部把功率开关器件和高压驱动器件电路集成在一起，并内藏有过电压、过电流、过热等故障检测电路，广泛应用在变频器、焊接机、伺服驱动等系统中。内部又分为上桥臂、下桥臂、逻辑电路、保护电路等组成，通过集成电路的逻辑芯片来实现驱动控制、保护反馈。智能功率模块在工作当中，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处理，实时检测ipm工作动态，如突发的过流、过压、过温，可以及时保护作动。
3.hivc(高压栅极驱动ic)，是利用单片机的输入信号直接驱动功率mosfet和igbt门极的耐高压，可以替代常见的脉冲变压器和光耦。又是智能功率模块的核心，是控制所有管功率器件动作的部件，hvic的结构框架，决定了方案产品的驱动控制方式，最终决定终端的产品差异化与竞争力。
4.目前市场上的高压驱动器件一般有一通道、三通道、六通道、七通道的，无一例外都是单电源供电方式，对于未来发展趋势的复杂、小型化、智能化的多功能控制系统难以适配。
5.因此，急需提供一种新的智能功率模块来解决上述问题。


技术实现要素：

6.针对以上相关技术的不足，本发明提出一种新的智能功率模块。
7.为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种智能功率模块，其包括包括：金属衬底层、设置在所述金属衬底层上的绝缘层、设置在所述绝缘层上的电路层、设置在所述电路层上的hivc驱动逻辑电路、电源开关电路、缓存电路、ipm上桥臂驱动电路、ipm下桥臂驱动电路、fpc驱动电路、ipm开关管组件、pfc开关管组件、ipm工作保护电路、pfc工作保护电路、以及设置在所述电路层上的保护层，所述hivc驱动逻辑电路分别与所述电源开关电路、所述ipm上桥臂驱动电路、所述ipm下桥臂驱动电路以及所述fpc驱动电路电连接，所述ipm上桥臂驱动电路、所述ipm下桥臂驱动电路分别与所述ipm开关组件电连接，所述fpc驱动电路与所述pfc开关组件电连接；
8.所述ipm开关组件包括并联的第一三极管、第二三极管、第三三极管、第四三极管、第五三极管以及第六三极管，所述ipm上桥臂驱动电路分别与所述第一三极管、所述第二三极管及所述第三三极管连接，所述所述ipm下桥臂驱动电路分别与所述第四三极管、所述第五三极管及所述第六三极管连接；
9.所述pfc开关组件包括并联的第七三极管、第八三极管，所述fpc驱动电路分别与所述第七三极管和所述第八三极管连接。
10.优选的，所述电源开关电路包括输入电源vin、第一电阻r100、第二电阻r200、第三电阻r300、电容c1、第一mos管q100、第二mos管q200、开关ennot、以及输出端vout；所述输入电源vin分别所述第一电阻r100的第一端和所述第一mos管q100的漏极d连接，所述第一电阻r100的第二端分别与所述第三电阻r300的第一端、所述第一mos管q100的栅极g以及所述第二mos管q200的源极s连接，所述第三电阻r300的第二端分别与所述电容c1的第一端和所述开关ennot的第一端连接，所述电容c1的第二端接地，所述开关ennot的第二端与所述第二mos管的栅极g以及所述第二电阻r200的第一端连接，所述第二mos管q200的漏极d接地，所述第二mos管q200的源极s与所述第二电阻r200的第一端连接，所述第二电阻r200的第二端分别与所述第一mos管的源极s和所述输出端vout连接。
11.优选的，所述hivc驱动逻辑电路还包括高压侧驱动电路和低压侧驱动电路。
12.优选的，所述高压侧驱动电路包括第一斯密特触发器、第一滤波单元、第一电位位移电路、第一与非逻辑门、脉冲生产电路、dv/dt滤波器电路、锁存器、或非逻辑门、第二与非逻辑门、第三与非逻辑门、uv滤波电路、mos管1、mos管2、mos管3、mos管4、第一限流电阻器以及第一限流电阻器；所述第一斯密特触发器的输出端与所述第一滤波单元的输入端连接，所述第一滤波单元的输出端与所述第一电位位移电路的输入端连接，所述电位位移电路的输出端分别与所述第一与非逻辑门第一输入端子和所述第二与非逻辑门第一输入端子连接，所述第二与非逻辑门输出端子与所述第一与非逻辑门的第二输入端连接，所述第一与非逻辑门输出端与所述脉冲生产电路输入端连接，所述脉冲生产电路输出端与所述mos管1、所述mos管2的栅极连接，所述mos管1的漏极端与所述dv/dt滤波器电路305输入端连接，所述mos管2的漏极端与所述uv滤波电路连接，所述dv/dt滤波器电路输出端与所述锁存器的输入端s连接，所述uv滤波电路的输出端与所述锁存器的输入端r连接，所述锁存器的输出端q与所述或非逻辑门的输入端连接，所述非逻辑门的输出端与mos管3、mos管4栅极连接；
13.所述低压侧驱动电路包括第二密特触发器、第二滤波单元、第二电位位移电路、延时电路、比较器、mos管5、mos管6；所述第二斯密特触发器的输出端与所述第二滤波单元的输入端连接，所述第二滤波单元的输出端与所述第二电位位移电路输入端连接，所述第二电位位移电路输出端与所述第三与非逻辑门的输入端连接，所述第三与非逻辑门的输出端与所述延时电路连接，所述延时电路输出端与所述比较器输入端连接，所述比较器输出端与所述mos管5、所述mos管的6栅极连接。
14.优选的，所述低压侧驱动电路还包括低压信号en使能端、低压信号itrip端、低压信号ipm-vcc端、低压信号ipm-fault端、低压信号pfc-trip端、低压信号pfc-vcc端以及低压侧驱动pfcin端。
15.优选的，所述低压信号en使能端包括第三密特触发器、第三滤波电路和第一使能驱动电路；
16.所述低压信号itrip端包括第四密特触发器、第四滤波电路以及第三电位位移电路；
17.所述低压信号ipm-vcc端包括第一开关电路、第五密特触发器、第五滤波电路、第四电位位移电路和第一电源欠压保护电路；
18.所述低压信号ipm-fault端包括第六密特触发器、第一故障输出电路和第六滤波
电路；
19.所述低压信号pfc-fault端包括第七密特触发器、第二故障输出电路337和第七滤波电路；
20.所述低压信号pfc-trip端包括第八密特触发器、第八滤波电路和第五电位位移电路；
21.所述低压信号pfc-vcc端包括第二开关电路、第九密特触发器、第九滤波电路、第二电源欠压保护电路和第六电位位移电路；
22.所述低压侧驱动pfcin端包括第十密特触发器、第十滤波电路、第七电位位移电路、第二脉冲产生电路，第二延时电路，第二比较器、mos管7以及mos管8，所述第十斯密特触发器的输出端与所述第十滤波单元的输入端互联，所述第十滤波单元的输出端与所述第七电位位移电路输入端互联，所述第七电位位移电路输出端与所述第二脉冲产生电路互联，第二延时电路输出端与所述第二比较器输入端互联，所述第二比较器352输出端与所述mos管7、mos管8的栅极连接。
23.优选的，所述hivc驱动逻辑电路外部短接电源。
24.与相关技术相比，本发明通过将绝缘层设置在金属衬底层和电路层之间，从而起到绝缘的效果，通过在电路层上集成设置hivc驱动逻辑电路、电源开关电路、缓存电路、ipm上桥臂驱动电路、ipm下桥臂驱动电路、fpc驱动电路、ipm开关管组件、pfc开关管组件、ipm工作保护电路、pfc工作保护电路、以及设置在所述电路层上的保护层，该结构的设置，极大提高了hivc驱动逻辑电路的应用能力，对于高集成的高压电路多功能的同时也可以分开独立控制部分功能使用，实现逆变功能和pfc功能，且两个功能通过独立电源供电，从而提高产品在复杂的应用环境适用性，于未来发展趋势的复杂、小型化、智能化的多功能控制系统得以相适配。
附图说明
25.下面结合附图详细说明本发明。通过结合以下附图所作的详细描述，本发明的上述或其他方面的内容将变得更清楚和更容易理解。附图中：
26.图1为本发明智能功率模块的电路图；
27.图2为本发明电源开关电路图；
28.图3为hvic驱动逻辑电路拓扑图；
29.图4为本发明能功率模块内部电路结构图；
30.图5为本发明智能功率模块的内部结构示意图；
31.图6为本发明智能功率模块的组装图。
具体实施方式
32.下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。
33.在此记载的具体实施方式\实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思，均是解释性和示例性的，不应解释为对本发明实施方式及本发明范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本技术权利要求书和说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任
何显而易见的替换和修改的技术方案，都在本发明的保护范围之内。
34.请参考图1-6所示，本发明提供一种智能功率模块100，包括：金属衬底层603、设置在所述金属衬底层603上的绝缘层602、设置在所述绝缘层602上的电路层601、设置在所述电路层601上的hivc驱动逻辑电路10、缓存电路101、ipm上桥臂驱动电路102、ipm下桥臂驱动电路103、fpc驱动电路104、ipm开关管组件105、pfc开关管组件106、ipm工作保护电路107、pfc工作保护电路108、电源开关电路109、以及设置在所述电路层上的保护层600。
35.所述ipm开关组件107包括并联的第一三极管q1、第二三极管q2、第三三极管q3、第四三极管q4、第五三极管q5以及第六三极管q6，所述ipm上桥臂驱动电路102分别与所述第一三极管q1、所述第二三极管q2及所述第三三极管q3连接，所述ipm下桥臂驱动电路103分别与所述第四三极管q4、所述第五三极管q5及所述第六三极管q6连接；
36.所述pfc开关组件106包括并联的第七三极管q7、第八三极管q8，所述fpc驱动电路104分别与所述第七三极管q7和所述第八三极管q8连接。
37.具体的，通过将绝缘层602设置在金属衬底层603和电路层601之间，从而起到绝缘的效果；通过在电路层601上集成设置hivc驱动逻辑电路10、缓存电路101、ipm上桥臂驱动电路102、ipm下桥臂驱动电路103、fpc驱动电路104、ipm开关管组件105、pfc开关管组件106、ipm工作保护电路107、pfc工作保护电路108、电源开关电路109、以及设置在所述电路层上的保护层600，该结构的设置，极大提高了hivc驱动逻辑电路10的应用能力，对于高集成的高压电路多功能的同时也可以分开独立控制部分功能使用，实现逆变功能和pfc功能，且两个功能通过独立电源供电，从而提高产品在复杂的应用环境适用性，于未来发展趋势的复杂、小型化、智能化的多功能控制系统得以相适配。
38.需要说明的是，所述智能功率模块100，集成pfc与ipm部分功能部分，各高压器件相互之间通过逻辑关系实现驱动、欠压等保护功能；所述hivc驱动逻辑电路10，用于接收与反馈外围主控板mcu的pwm输入控制信号，驱动所述ipm上桥臂驱动电路102与下桥臂驱动电路103、pfc驱动电路104，其中ipm开关组件工作，实现电机驱动目的，pfc开关组件工作，实现升压、稳压目的。同时所述hivc驱动逻辑电路10内部设置有控制电压欠压保护(uv)、过温保护(ot)、过流保护(oc)、短路保护(sc)，当模块工作过程发生故障时候，可以实现上下桥互锁、切断电源信号，避免产品烧坏，保证产品的稳定性与可靠性；所述缓存电路101，接收到外围电路的mcu信号后，通过滤波、放大处理，再输出到对应的开关管驱动电路中；所述ipm上桥臂驱动电路102包含于自举电路、欠压保护电路、upu驱动电路、upv驱动电路、upw驱动电路。所述i和所述ipm下桥臂驱动电路103包含于unu驱动电路、unv驱动电路、unw驱动电路。所述ipm智能功率模块pfc的驱动电路，包含pfc的驱动电路。所述ipm工作保护电路107，负责监控模块q1、q2、q3、q4、q5、q6开关管工作状态，当出现故障时候，itrip检测到信号异常时候，把信号反馈到mcu，立即采取动作，切断信号，fault信号有高电平转换成低电平状态，以达到保护模块的功能，系统检测到电压欠压保护(uv)、过温保护(ot)、过流保护(oc)、短路保护(sc)信号异常时候，fault信号有高电平转换成低电平状态，把信号反馈到mcu，立即采取动作，切断信号，模块停止工作；所述pfc工作保护电路108，负责监控模块q7开关管工作状态，当出现故障时候，pfctrip检测到信号异常时候，把信号反馈到mcu，立即采取动作，切断信号，pfc-fault信号有高电平转换成低电平状态，以达到保护模块的功能；系统检测到过流保护(oc)、短路保护(sc)信号异常时候，pfc-fault信号有高电平转换成低电平状
态，把信号反馈到mcu，立即采取动作，切断信号，模块停止工作。
39.进一步的，所述电源开关电路109包括输入电源vin、第一电阻r100、第二电阻r200、第三电阻r300、电容c1、第一mos管q100、第二mos管q200、开关ennot、以及输出端vout；所述输入电源vin分别所述第一电阻r100的第一端和所述第一mos管q100的漏极d连接，所述第一电阻r100的第二端分别与所述第三电阻r300的第一端、所述第一mos管q100的栅极g以及所述第二mos管q200的源极s连接，所述第三电阻r300的第二端分别与所述电容c1的第一端和所述开关ennot的第一端连接，所述电容c1的第二端接地，所述开关ennot的第二端与所述第二mos管的栅极g以及所述第二电阻r200的第一端连接，所述第二mos管q200的漏极d接地，所述第二mos管q200的源极s与所述第二电阻r200的第一端连接，所述第二电阻r200的第二端分别与所述第一mos管的源极s和所述输出端vout连接。
40.上述结构的设置，通过独立供电电源的开关电路选择，使用智能功率模块时，可以根据应用需求，自由选择ipm或pfc功能电路。开关电路工作方式:当上电初始状态，输入电源vin经电阻r100，r300对电容c100快速充电至电源电压。mos管q100，q200截止，vout无输出。当电路需要开机时，给ennot信号，使得开关闭合，电容c100上的电压加至nmos管的g极，使q200迅速饱和导通，q100栅极电位被拉低至接近0v，q100也迅速导通并饱和，vout有电压输出。此时，vout经电阻r200，加至nmos管q200的栅极，维持q200的导通，形成自锁回路。此时若ennot处于闭合状态，则vout还会对电容c100充电，不会影响电路的开机状态。若ennot断开，则电容c100通过电阻r3，q200的ds进行放电至接近0v，为电路关机做准备。电路需要关机时，断开ennot信号，nmos管q200的栅极电位由于电容c100的作用，被拉低至低电平，q200截止。q200截止后，pmos管的栅极电位上升到高电平，q100截止，vout无输出。此时，电容c100又经电阻r100，r300开始慢慢充电至接近输入电源电压。恢复至上电初始状态。
41.在本实施例中，所述hivc驱动逻辑电路10还包括高压侧驱动电路11和低压侧驱动电路12。
42.更进一步的，所述高压侧驱动电路包括第一斯密特触发器300、第一滤波单元301、第一电位位移电路302、第一与非逻辑门303、脉冲生产电路304、dv/dt滤波器电路305、锁存器306、或非逻辑门307、第二与非逻辑门308、第三与非逻辑门309、uv滤波电路311、mos管1、mos管2、mos管3、mos管4、第一限流电阻器rs1以及第一限流电阻器rs2；所述第一斯密特触发器300的输出端与所述第一滤波单元301的输入端连接，所述第一滤波单元301的输出端与所述第一电位位移电路302的输入端连接，所述电位位移电路302的输出端分别与所述第一与非逻辑门303第一输入端子和所述第二与非逻辑门308第一输入端子连接，所述第二与非逻辑门308输出端子与所述第一与非逻辑门303的第二输入端连接，所述第一与非逻辑门303输出端与所述脉冲生产电路304输入端连接，所述脉冲生产电路304输出端与所述mos管1、所述mos管2的栅极连接，所述mos管1的漏极端与所述dv/dt滤波器电路305输入端连接，所述mos管2的漏极端与所述uv滤波电路311连接，所述dv/dt滤波器电路305输出端与所述锁存器306的输入端s连接，所述uv滤波电路311的输出端与所述锁存器306的输入端r连接，所述锁存器306的输出端q与所述或非逻辑门307的输入端连接，所述非逻辑门307的输出端与mos管3、mos管4栅极连接。
43.上述结构的信号传输过程：所述第一密特触发器300用于对外围主控板mcu输出的pwm控制信号进行滤波后稳定输出至后级的第一滤波单元301，第一滤波单元301用于对接
收到的控制信号进行高频、窄波滤波，并将控制信号进行反相，输出至所述第一电位位移电路302，所述第一电位位移电路302用于当被耦合的信号振幅较大时，这种直流变化会对接口电压产生干扰，对耦合的信号进行相应补偿，并增加直流电平调节功能，从而能实现信号稳定输出至所述第一与非逻辑门303、所述第二与非逻辑门308、所述第三与非逻辑门309；所述脉冲产生电路304用于在接收到所述第一与非逻辑门303输出的高电平信号后输出至mos管1、mos管2管的栅极进行驱动导通，mos管的栅极和源极短接实现单向导通，电压经过所述第一限流电阻器rs1以及所述第一限流电阻器rs2输出至vb；dv/dt滤波器电路305用于接收mos管1、mos管2的漏极电压进行滤波整流从而稳定电压；uv滤波电路311接收所述第一限流电阻器rs1以及所述第一限流电阻器rs2分压后点电平信号进行滤波整流；所述锁存器306用于接收dv/dt滤波器电路305、uv滤波器311的信号暂存，最终使得电平信号输出同步；所述或非逻辑门307用于接收锁存器306信号，通过输入发热高低电平进行对比，从而控制mos管3、mos管4驱动开通情况。
44.所述低压侧驱动电路包括第二密特触发器312、第二滤波单元313、第二电位位移电路314、延时电路310、比较器315、mos管5、mos管6；所述第二斯密特触发器312的输出端与所述第二滤波单元313的输入端连接，所述第二滤波单元313的输出端与所述第二电位位移电路314输入端连接，所述第二电位位移电路314输出端与所述第三与非逻辑门309的输入端连接，所述第三与非逻辑门309的输出端与所述延时电路310连接，所述延时电路310输出端与所述比较器315输入端连接，所述比较器315输出端与所述mos管5、所述mos管的6栅极连接。
45.上述结构的信号传输过程：所述第二密特触发器312用于对外围主控板mcu输出的pwm控制信号进行滤波后稳定输出至后级的第二滤波单元313，第二滤波单元313用于对接收到的控制信号进行高频、窄波滤波，并将控制信号进行反相，输出至第二电位位移电路314，再输出至所述第二与非逻辑门308和所述第三与非逻辑门309。延时电路310用于将所述第三与非逻辑门309输出的控制信号进行延时输出，以避免在下桥臂功率管与高压侧驱动电路的上桥臂功率管同时导通而导致功率逆变桥电路mos管5、mos管6出现短路故障。
46.在本实施例中，所述低压侧驱动电路12还包括低压信号en使能端、低压信号itrip端、低压信号ipm-vcc端、低压信号ipm-fault端、低压信号pfc-trip端、低压信号pfc-vcc端以及低压侧驱动pfcin端。
47.更优的是，所述低压信号en使能端包括第三密特触发器316、第三滤波电路317和第一使能驱动电路318；高电平有效，当控制系统出现故障时候，高电平转换为低电平输出；
48.所述低压信号itrip端包括第四密特触发器319、第四滤波电路320以及第三电位位移电路321；低电平有效，当控制系统出现故障时候，低电平转换为高电平输出；
49.所述低压信号ipm-vcc端包括第一开关电路325、第五密特触发器326、第五滤波电路327、第四电位位移电路328和第一电源欠压保护电路329；常规的驱动控制系统中，若供电电源低于12.5v(典型值)时候，模块出项欠压保护，通过故障控制系统触发fault端，低电平输出，模块停止工作；
50.所述低压信号ipm-fault端包括第六密特触发器330、第一故障输出电路331和第六滤波电路332；高电平有效，当控制系统354出现故障时候，高电平转换为低电平输出；
51.所述低压信号pfc-fault端包括第七密特触发器336、第二故障输出电路337和第
七滤波电路338；高电平有效，当控制系统353出现故障时候，高电平转换为低电平输出；
52.所述低压信号pfc-trip端包括第八密特触发器339、第八滤波电路340和第五电位位移电路341；低电平有效，当控制系统出现故障时候，低电平转换为高电平输出；
53.所述低压信号pfc-vcc端包括第二开关电路343、第九密特触发器344、第九滤波电路327、第二电源欠压保护电路345和第六电位位移电路346；常规的驱动控制系统中，若供电电源低于12.5v(典型值)时候，模块出项欠压保护，通过故障控制系统触发fault端，低电平输出，模块停止工作。
54.所述低压侧驱动pfcin端包括第十密特触发器347、第十滤波电路348、第七电位位移电路349、第二脉冲产生电路350，第二延时电路351，第二比较器352、mos管7以及mos管8，所述第十斯密特触发器347的输出端与所述第十滤波单元348的输入端互联，所述第十滤波单元348的输出端与所述第七电位位移电路349输入端互联，所述第七电位位移电路349输出端与所述第二脉冲产生电路350互联，第二延时电路351输出端与所述第二比较器352输入端互联，所述第二比较器352输出端与所述mos管7、mos管8的栅极连接。
55.在本实施例中，所述智能功率模块100内部有功率部分与驱动控制部分组成，其中407为ipm部分的功率部分开关管的6个续流管，408为ipm部分功率部分开关管的6个三极管，409为pfc部分的开关功率器件。410为驱动控制部分的hvic，为7通道，6个通道实现逆变功能、1个通道实现pfc功能，两个功能通过独立电源供电，好处是用户可以根据使用环境选择用其中一部分功能。
56.在本实施例中，所述智能功率模块100是一种七通道的hvic，包括六通道ipm功能部分的电路801、一通道pfc功能部分的电路802。其中电路801有独立供电电源1的803与电源选择端口804、其它功能端口a。其中电路802有独立供电电源2的805与电源选择端口806、其它功能端口b。值得一提的是，用户在使用此hivc时，可以按外接主板设计情况，可以在hivc外部短接电源。
57.与相关技术相比，本发明通过将绝缘层设置在金属衬底层和电路层之间，从而起到绝缘的效果，通过在电路层上集成设置hivc驱动逻辑电路、电源开关电路、缓存电路、ipm上桥臂驱动电路、ipm下桥臂驱动电路、fpc驱动电路、ipm开关管组件、pfc开关管组件、ipm工作保护电路、pfc工作保护电路、以及设置在所述电路层上的保护层，该结构的设置，极大提高了hivc驱动逻辑电路的应用能力，对于高集成的高压电路多功能的同时也可以分开独立控制部分功能使用，实现逆变功能和pfc功能，且两个功能通过独立电源供电，从而提高产品在复杂的应用环境适用性，于未来发展趋势的复杂、小型化、智能化的多功能控制系统得以相适配。
58.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何纂改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。