功率开关管的驱动保护电路、集成电路、IPM模块以及空调器的制作方法

本发明涉及空调器领域，特别涉及一种功率开关管的驱动保护电路、集成电路、ipm模块以及空调器。

背景技术：

目前，以sic(碳化硅)及gan(氮化镓)为代表的宽禁带材料的引入，引领了新一代半导体器件的发展。宽禁带材料因具有耐高温、阻断电压高、工作频率高和通态损耗小的优点，而被广泛应用于高压、高温、高效率及高功率密度的场合。

但是，由于宽禁带材料的禁带宽度和击穿场强远高于硅等传统半导体材料器件，故在相同的耐压水平下，宽禁带材料半导体器件(例如mosfet、igbt)的寄生电容远小于硅半导体器件，对驱动电路的寄生参数更加敏感。以宽禁带材料的mosfet管为例来说，为了提高器件的开关频率，减小关断时间，驱动电路的设计需要考虑负压，而传统的硅mosfet的驱动电压通常在0v～+15v区间内；并且，宽禁带材料的mosfet驱动电压的安全阈值很小，其栅源极耐受负压的能力尤其差，一个振荡时产生的负压尖峰很可能会击穿栅极与源极之间的氧化层，使其失效。这与硅mosfet的区别较大，因此完全套用硅mosfet的驱动方式，来驱动宽禁带材料mosfet是不合理的。

目前国内外对mosfet驱动电路的设计多为单纯的阻性驱动设计，驱动芯片经由外置栅极保护电阻对mosfet进行驱动，该驱动ic内部无任何保护设计。对于mosfet尤其是宽禁带材料mosfet的栅极的保护不足，当驱动电压较高时，容易造成宽禁带材料mosfet的损坏，同时从电路整体的角度上来看，驱动芯片及驱动芯片与mosfet互联电路的设计上也未考虑驱动电路输出端的过压保护，如此，容易造成对宽禁带材料的mosfet栅极保护不足的问题。

技术实现要素：

本发明的主要目的是提出一种功率开关管的驱动保护电路、集成电路、ipm模块以及空调器，旨在为宽禁带材料的功率开关管提供有效的驱动保护，以及优化功率开关管的驱动参数。

本发明的功率开关管的驱动保护电路，包括用于接收驱动所述功率开关管的驱动信号的信号输入端、对所述驱动信号进行限流保护的第一保护电路，以及将限流后的所述驱动信号输出的信号输出端，所述驱动保护电路还包括钳位电路、开关以及选通控制电路；

所述钳位电路经所述开关与所述信号输出端连接，所述选通控制电路具有检测端和控制端，所述选通控制电路的检测端与所述信号输入端连接，所述选通控制电路的控制端与所述开关的受控端连接；

所述选通控制电路，用于在检测到所述信号输入端输入的驱动信号的电压大于预设电压值时，控制所述开关开启/关断，以通过所述钳位电路的钳位作用将所述信号输出端所输出的驱动信号的电压钳位至一固定电压保护值。

优选地，所述第一保护电路包括第一电阻；所述第一电阻的第一端与所述信号输入端连接，所述第一电阻的第二端与所述信号输出端连接。

优选地，所述钳位电路包括第一钳位二极管、第二钳位二极管；所述第一钳位二极管的阴极与所述开关连接、所述第一钳位二极管的阳极与所述第二钳位二极管的阳极连接，所述第二钳位二极管的阴极接地。

优选地，所述选通控制电路包括第二电阻、第三电阻、第一比较器、参考电压发生器；所述第一比较器的输出端为所述控制端；

所述第一比较器的正向端与所述第二电阻的第一端、第三电阻的第一端互连，所述第二电阻的第二端为所述检测端，且所述第二电阻的第二端与所述信号输入端连接，所述第三电阻的第二端接地；所述第一比较器的反向端与所述参考电压发生器连接。

优选地，所述选通控制电路包括第四电阻、第五电阻、第六电阻、第二比较器、第三钳位二极管；所述第二比较器的输出端为所述控制端；

所述第二比较器的正向端与所述第四电阻的第一端、第五电阻的第一端互连，所述第四电阻的第二端为所述检测端，且所述第四电阻的第二端与所述信号输入端连接，所述第五电阻的第二端接地；所述第二比较器的反向端与所述第六电阻的第一端、第三钳位二极管的阴极互连，所述第六电阻的第二端供直流电源连接，所述第三钳位二极管的阳极接地。

本发明还提出一种集成电路，包括驱动电路、以及所述的功率开关管的驱动保护电路；所述驱动电路具有驱动信号输出端；

所述驱动电路的驱动信号输出端与所述功率开关管的驱动保护电路的信号输入端连接，所述功率开关管的驱动保护电路的信号输出端供所述功率开关管的受控端连接。

优选地，所述驱动电路的驱动信号输出端与所述功率开关管的驱动保护电路的信号输入端之间还设有第二保护电路；

所述第二保护电路包括第七电阻；所述第七电阻的第一端与所述驱动信号输出端连接，所述第七电阻的第二端与所述功率开关管的驱动保护电路信号输入端连接。

本发明还提出一种ipm模块，包括所述的集成电路以及功率开关管；所述功率开关管有多个，所述集成电路中功率开关管的驱动保护电路的数量与所述功率开关管的数量对应，且多个所述功率开关管的驱动保护电路的信号输出端与多个所述功率开关管的受控端一一对应连接。

优选地，所述ipm内部还包括pfc模块，所述pfc模块包括第七功率开关管，所述集成电路中具有对应连接所述第七功率开关管的受控端的功率开关管的驱动保护电路。

本发明还提出一种空调器，包括所述功率开关管的驱动保护电路，所述集成电路、所述ipm模块中的一个或多个。

本发明技术方案考虑到宽禁带材料功率开关管与传统硅材料的功率开关管对于驱动电压耐过压能力不同，针对宽禁带材料功率开关管提出了一种高可靠性功率开关管的驱动保护电路；所述功率开关管的驱动保护电路采用主动控制驱动电压的方式，即通过设置选通控制电路、第一保护电路和开关，以根据信号输出端接收到的驱动信号的大小，灵活地控制所述钳位电路接入/脱离与所述信号输出端，以通过所述钳位电路的钳位作用将所述信号输出端所输出的驱动信号的电压钳位至一固定电压保护值；且该电压保护值不会超出其允许的驱动电压范围；最大程度地降低了宽禁带材料功率开关管因受控端过压失效，提高了对宽禁带材料功率开关管的驱动可靠性；而且本发明技术方案具有优化功率开关管参数的功能的作用，对发挥宽禁带材料功率开关管的优势提供了有力的支撑。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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示出的结构获得其他的附图。

图1为集成了本发明功率开关管的驱动保护电路的集成电路一实施例的结构示意图；

图2为集成了本发明功率开关管的驱动保护电路的集成电路另一实施例的结构示意图

图3为ipm模块的内部电路结构示意图。

附图标号说明：

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种功率开关管的驱动保护电路，用于对功率开关管的受控端进行保护；在此所述功率开关管优选为宽禁带材料的功率开关管。例如sicmosfet、sicigbt等为代表的半导体开关器件。

请参阅图1，在一实施例中，本发明功率开关管的驱动保护电路包括用于接收驱动所述功率开关管20的驱动信号的信号输入端in、对所述驱动信号进行限流保护的第一保护电路31，及将限流后的所述驱动信号输出的信号输出端out，所述驱动保护电路还包括钳位电路32、开关sw以及选通控制电路33。在此所述开关sw可以为半导体开关，如三极管、mosfet管等。所述驱动电路40具有触发端in1，当所述触发端in1接收到控制信号后，所述驱动电路40生成所述驱动信号输出至所述功率开关管的驱动保护电路的信号输入端in。

所述钳位电路32经所述开关sw与所述信号输出端out连接，所述选通控制电路33具有检测端和控制端，所述选通控制电路33的检测端与所述信号输入端in连接，所述选通控制电路33的控制端与所述开关sw的受控端连接。所述选通控制电路33，用于在检测到所述信号输入端in输入的驱动信号的电压大于预设电压值时，控制所述开关sw开启/关断，以通过所述钳位电路的钳位作用将所述信号输出端所输出的驱动信号的电压钳位至一固定电压保护值，从而有效地保护宽禁带材料的功率开关管20的受控端。可以理解的是，所述电压保护值是在所述功率开关管20所允许的驱动电压范围之内的。

具体来说，当信号输入端in接收到的驱动信号的电压对于宽禁带材料来说处于安全的驱动值时，所述选通控制电路33检测到所述驱动信号后，通过控制所述开关sw开启/关断，以控制所述钳位电路32与所述信号输出端out断开，驱动信号经过第一保护电路31后直接输出至宽禁带材料功率开关管20的受控端(例如mosfet的栅极)。当信号输入端in接收到的驱动信号的电压超出了宽禁带材料的功率开关管20的安全驱动范围值时，所述选通控制电路33检测到所述驱动信号后，通过控制所述开关sw开启/关断，以控制所述钳位电路32与所述信号输出端out连接，所述钳位电,32接入所述信号输出端out后，将所述信号输出端out输出的驱动信号电压降低至一较低的值，从而降低了所述信号输出端out的电压，保护了所述宽禁带材料功率开关管20的受控端的安全。

可以看出，本发明技术方案在驱动信号输出至所述功率开关管20的受控端之前，会经过选通控制电路33的检测，以确定是否需要对所述驱动信号做降压处理，因此本发明技术方案是基于一种主动式的驱动电压控制模式，这种控制模式可以最大程度地降低功率开关管20的受控端因过压失效，提高了功率开关管20的工作可靠性。另一方面，本发明技术方案具有优化功率开关管20参数的功能。在此以mosfet为例说明，当栅极电阻过大时，会造成mosfet管开关速度变慢、功耗增大；而当栅极电阻过小时，会对mosfet管的栅极保护作用降低；因此在现有的处理方式，是使栅极电阻的阻值比理论上最匹配mosfet管开关速度的栅极电阻值稍大，以提高对mosfet管的栅极保护作用；而本发明技术方案中可以使第一保护电路31按照最匹配其开关速度的阻值进行设计，而当驱动电压过大时，通过利用钳位电路32的接入，而对mosfet管的栅极进行保护作用；因此本发明技术方案对发挥宽禁带材料的优势提供了有力的支撑。

所述选通控制电路33与所述钳位电路32、以及开关sw具有两种配合方式：第一种，所述开关sw处于常闭状态；当所述信号输出端out接收到的驱动信号超出了宽禁带材料的功率开关管20的安全驱动范围值时，所述选通控制电路33不输出控制信号，以使所述开关sw仍然处于常闭状态，从而使钳位电路32保持与所述信号输出端out的连接，以降低信号输出端out输出的驱动信号的电压。第二种，所述开关sw处于常开状态；当所述信号输出端out接收到的驱动信号超出了宽禁带材料的功率开关管20的安全驱动范围值时，所述选通控制电路33输出控制信号，控制开关sw闭合，从而使钳位电路32与所述信号输出端out连接，以降低信号输出端out输出的驱动信号的电压。

本发明技术方案考虑到宽禁带材料功率开关管与传统硅材料的功率开关管对于驱动电压耐过压能力不同，针对宽禁带材料功率开关管提出了一种高可靠性功率开关管的驱动保护电路；所述功率开关管的驱动保护电路采用主动控制驱动电压的方式，即通过设置选通控制电路33、第一保护电路31和开关sw，以根据信号输出端out接收到的驱动信号的大小，灵活地控制所述钳位电路32接入/脱离与所述信号输出端out，从而使输出至所述功率开关管受控端的驱动信号电压不会超出其允许的驱动电压范围；最大程度地降低了宽禁带材料功率开关管因受控端过压失效，提高了对宽禁带材料功率开关管的驱动可靠性；而且本发明技术方案具有优化功率开关管参数的功能的作用，对发挥宽禁带材料功率开关管的优势提供了有力的支撑。

可以理解的是，本发明不仅仅适用于宽禁带材料的功率开关管的驱动保护，其核心电路原理及其衍生电路也适用于其他类型材料的功率开关管的驱动保护电路。所述驱动开关管可以为igbt、mosfet等。

请参阅图1，所述第一保护电路31是基于传统的功率开关管的受控端保护电路；在本实施例中，所述第一保护电路31包括第一电阻r1；所述第一电阻r1的第一端与所述信号输入端in连接，所述第一电阻r1的第二端与所述信号输出端out连接。当然，所述第一保护电路31还可以接入若干电阻，以提高所述第一保护电路的工作可靠性。

于本方案中，是通过钳位电路32的钳位作用，以降低信号输出端out的电压；因此本方案中，优选利用稳压钳位二极管进行钳位作用。钳位二极管可以更加精准地控制输出至功率开关管受控端的驱动电压。所述钳位电路32包括第一钳位二极管d1、第二钳位二极管d2；所述第一钳位二极管d1的阴极与所述开关sw连接、所述第一钳位二极管d1的阳极与所述第二钳位二极管d2的阳极连接，所述第二钳位二极管d2的阴极接地。在此所述第一钳位二极管d1、第二钳位二极管d2可以采用不同稳压值的稳压二极管。由于宽禁带材料的功率开关管具有反向的驱动电压，因此设置所述第一钳位二极管、第二钳位二极管以分别对正向的驱动电压和反向的驱动电压进行钳位。进一步地，所述钳位电路32也可以采用多个钳位二极管进行串联，以控制所述信号输出端out输出至所述功率开关管的驱动信号的电压值。

当驱动信号为正向电压时，且当开关sw闭合，钳位电路32与所述信号输出端out连接时，所述信号输出端out的驱动电压将第一钳位二极管d1反向击穿，第二钳位二极管d2处于导通状态，因此所述信号输出端out输出至所述功率开关管的驱动信号被钳位至所述第一钳位二极管d1的稳压值(在此忽略了第二钳位二极管的导通压降)。同样的，当驱动信号为反向电压时，且当开关sw闭合，钳位电路32与所述信号输出端out连接时，所述信号输出端out的驱动电压将第二钳位二极管d2反向击穿，第一钳位二极管d1处于导通状态，因此所述信号输出端out输出至所述功率开关管的驱动信号被钳位至所述第二钳位二极管d2的稳压值。

本发明技术方案通过所述选通控制电路33实现主动驱动电压控制的方案。所述选通控制电路33包括第二电阻r2、第三电阻r3、第一比较器a1、参考电压发生器vcc1；所述第一比较器a1的输出端为所述控制端。所述第一比较器a1的正向端与所述第二电阻r2的第一端、第三电阻r3的第一端互连，所述第二电阻r2的第二端为所述检测端，且所述第二电阻r2的第二端与所述信号输入端in连接，所述第三电阻r3的第二端接地；所述第一比较器a1的反向端与所述参考电压发生器vcc1连接。

所述第一比较器a1为电压比较器，在此以所述开关sw为常开状态举例说明，当信号输入端in接收到的驱动电压过大，所述驱动电压经过第二电阻r2、第三电阻r3分压后接入第一比较器a1的正向端，造成第一比较器a1正向端的电压大于其反向端的电压时，所述第一比较器a1的输出端输出一控制信号，控制所述开关sw闭合，从而控制所述钳位电路32接入所述信号输出端out；降低接入至功率开关管20受控端的电压。

所述参考电压发生器vcc1可以由钳位电路32结合直流电压源构成，也可以直接由电压源形成。所述参考电压发生器vcc1产生的电压可以根据不同类型的器件需求进行自主设定。进一步地，所述参考电压发生器vcc1的电压为可调式的，以使所述功率开关管的驱动保护电路可以适配多种不同类型的功率开关管20。优选地，所述参考电压发生器vcc1产生的电压为5v。

请参阅图2，在另一实施例中，所述选通控制电路33包括第四电阻r4、第五电阻r5、第六电阻r6、第二比较器a2、第三钳位二极管d3；所述第二比较器a2的输出端为所述控制端；所述第二比较器a2的正向端与所述第四电阻r4的第一端、第五电阻r5的第一端互连，所述第四电阻r4的第二端为所述检测端，且所述第四电阻r4的第二端与所述信号输入端in连接，所述第五电阻r5的第二端接地；所述第二比较器a2的反向端与所述第六电阻r6的第一端、第三钳位二极管d3的阴极互连，所述第六电阻r6的第二端供直流电源vcc2连接，所述第三钳位二极管d3的阳极接地。

于该实施例中，由第六电阻r6和第三钳位二极管d3以及直流电源vcc2为所述第二比较器a2的反向端提供基准电压。在此需要说明的是，所述直流电源vcc2可以作为所述功率开关管的驱动保护电路的一个部件、也可以作为外接部件，在此不做限定。具体地，由于直流电源vcc2提供的为正向电压，且所述第三钳位二极管d3的阳极接地，因此第三钳位二极管d3处于反向击穿状态，所述第二比较器a2的反向端电压为所述稳压管的稳压值。本方案中，可以通过选用不同类型的稳压管，以使所述第二比较器a2反向端的电压达到不同的值，以匹配不同类型的功率开关管20。优选地，所述第三钳位二极管d3的稳压值为5v。

本发明还提出一种集成电路10，所述集成电路10包括驱动电路40、以及所述的功率开关管的驱动保护电路；所述驱动电路40具有驱动信号输出端；所述驱动电路40的驱动信号输出端与所述功率开关管的驱动保护电路的信号输入端in连接，所述功率开关管的驱动保护电路的信号输出端out供所述功率开关管20的受控端连接。所述集成电路10可以呈芯片样式。

所述集成电路10集成了所述功率开关管20的驱动电路40以及所述功率开关管的驱动保护电路；相对于驱动电路40外接所述功率开关管的驱动保护电路，本发明集成电路10具有体积小、电路噪声小、动作灵敏度高、抗干扰能力强等特点。

进一步地，所述驱动电路40的驱动信号输出端与所述功率开关管的驱动保护电路的信号输入端in之间还设有第二保护电路50；所述第二保护电路50对自所述驱动信号输出端输出的驱动信号进行限流或降压；同时也用于防止自所述功率开关管驱动保护电路的信号输入端in朝所述驱动信号输出端方向的反向冲击电压/电流，从而对所述驱动信号输出端进行保护。

于本方案中，所述第二保护电路50至少包括第七电阻r7；所述第七电阻r7的第一端与所述驱动信号输出端连接，所述第七电阻r7的第二端与所述功率开关管的驱动保护电路信号输入端in连接。所述第二保护电路50还可以包括多个电阻、以及二极管。

本发明还提出一种ipm(intelligentpowermodule)模块，请参阅图3，所述ipm模块包括所述集成电路以及功率开关管；所述功率开关管有多个，所述集成电路中功率开关管的驱动保护电路的数量与所述功率开关管的数量对应，且多个所述功率开关管的驱动保护电路的信号输出端与多个所述功率开关管的受控端一一对应连接。

具体地，本实施例中，所述功率开关管包括第一功率管mos1、第二功率管mos2、第三功率管mos3、第四功率管mos4、第五功率管mos5、第六功率管mos6；所述第一功率管mos1、第二功率管mos2、第三功率管mos3、第四功率管mos4、第五功率管mos5、第六功率管mos6构成了全桥逆变电路。所述功率开关管的驱动保护电路的信号输出端包括第一信号输出端、第二信号输出端、第三信号输出端、第四信号输出端、第五信号输出端、第六信号输出端；所述第一信号输出端与所述第一功率管mos1的受控端连接；所述第二信号输出端与所述第二功率管mos2的受控端连接；所述第三信号输出端与所述第三功率管mos3的受控端连接；所述第四信号输出端与所述第四功率管mos4的受控端连接；所述第五信号输出端与所述第五功率管mos5的受控端连接；所述第六信号输出端与所述第六功率管mos6的受控端连接。

本领域技术人员可以理解的是，所述ipm模块不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起。而且还内部集成有过电压，过电流和过热等故障检测电路。ipm模块一般使用igbt或mosfet作为功率开关元件，内部集成电流传感器及驱动电路。

请参阅图3，进一步地，所述ipm模块内部还包括pfc(powerfactorcorrection)模块，即所述ipm模块集成了ipm原有的逆变、保护等功能，还具有pfc功能。可以理解的是，所述pfc模块包括第七功率开关管mos7，所述集成电路中具有对应连接所述第七功率开关管mos7的受控端的功率开关管的驱动保护电路。

本发明还提出一种空调器，所述空调器包括所述功率开关管的驱动保护电路，所述集成电路、所述ipm模块中的一个或多个。即所述空调器可以包括单独的所述功率开关管的驱动保护电路，所述集成电路、所述ipm模块；也可以同时包括所述功率开关管的驱动保护电路，所述集成电路、所述ipm模块中的一种、两种或三种。所述ipm模块设于所述空调器的电控板上。具体地，所述空调器连接于所述空调器的主电路中，用于实现dc-ac变换功能。所述ipm还能用于洗衣机、电冰箱等。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。