一种应用于电磁节能灶的功率半导体集成器件的制作方法

1.本发明涉及电磁节能灶集成技术领域，尤其涉及一种应用于电磁节能灶的功率半导体集成器件。


背景技术：

2.随着人们生活水平的普遍提高，环保和节能的概念开始深入人心。电磁灶作为一种清洁，节能，使用方便的厨房设备开始取代传统炉灶走进千家万户。商用电磁炉基于高频电磁感应加热技术，通过整流电路将交流电整流变成直流电，再将直流电转换成高频交流电；交变电流通过电磁感应线圈时，会产生交变磁场，当用含铁容器(例如锅具)放置在电磁感应线圈上时，含铁容器切割交变磁力线，容器表面产生强大的涡流，涡流使容器中的铁原子高速无规则运动，原子互相碰撞、摩擦而产生热能，使容器本身快速发热，并迅速提高容器内物质的温度，达到加热目的。由于铁制容器自身会发热，热转化率较高，最高可达95％。目前的电磁炉，电磁灶都是采用的电磁加热技术。
3.市面上现有的电磁灶均由电子线路板、igbt(insulated gate bipolar transistor)模块和外接设备等多部分组装而成，其中，电子线路板包括整流电路、滤波电路、电源转换电路、控制电路、驱动电路、检测电路、保护电路和报警电路，各分散的电路板之间通过导线连接，布线复杂，线路杂乱，产品外形体积庞大，成本高昂，组装工序繁琐，此外，目前，市面上现有的电磁灶所使用的驱动方案与igbt模块匹配方式未达到最优解，造成开关损耗和功率损耗较高，随着电力电子技术的发展，行业对模块的可靠性的要求越来越强，器件集成度也越来越高，因此针对以上问题，迫切需要设计出一种集成度更高、性能更稳定的能够应用于电磁节能灶的功率半导体集成器件，以满足实际使用的需要。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于，提供一种应用于电磁节能灶的功率半导体集成器件。
5.本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：
6.本发明提供一种应用于电磁节能灶的功率半导体集成器件，包括：
7.一三相整流电路，所述三相整流电路的输入端连接一三相交流电源；
8.一半桥逆变电路，所述半桥逆变电路的输入端连接所述三相整流电路的输出端；
9.一逆变驱动电路，所述逆变驱动电路的输出端分别连接所述半桥逆变电路的输入端；
10.一温度检测电路，所述温度检测电路的输入端连接所述半桥逆变电路、一加热线圈，以及一外部锅具的电阻，所述加热线圈连接所述半桥逆变电路的输出端，所述锅具放置于所述加热线圈上；
11.一电流检测电路，所述电流检测电路的输入端连接所述半桥逆变电路，且所述电流检测电路的输入端分别连接一电流检测电阻的两端；
12.一控制电路，所述控制电路的输入端分别连接所述温度检测电路和所述电流检测
电路，所述控制电路的输出端通过一脉宽调制转换电路连接所述逆变驱动电路；
13.一开关电源电路，所述开关电源电路的输入端连接所述三相整流电路的输出端，所述开关电源电路的输出端分别连接所述逆变驱动电路的输入端、所述控制电路的输入端，所述开关电源电路包括一变压器和一开关电源芯片，所述变压器的副边连接所述三相整流电路的输出端，且所述变压器通过一反馈电路连接所述开关电源芯片的原边。
14.优选地，所述开关电源电路和所述控制电路之间还设有：
15.一电压转换电路，用于将所述开关电源电路的输出电压转换成相应的电压值，并输出给所述控制电路；
16.一电压检测电路，用于检测所述三相整流电路的输出端电压。
17.优选地，还包括：
18.一基板；
19.一第一陶瓷覆铜板，焊接于所述基板上，所述第一陶瓷覆铜板上焊接有所述三相整流电路和至少一个场效应晶体管芯片，所述场效应晶体管芯片连接所述开关电源电路；
20.一第二陶瓷覆铜板，焊接于所述基板上，所述第二陶瓷覆铜板位于所述第一陶瓷覆铜板的右侧，且所述第二陶瓷覆铜板上焊接有所述半桥逆变电路，以及至少一个温度电阻，所述温度电阻连接所述温度检测电路；
21.一印刷电路板，所述印刷电路板位于所述陶瓷覆铜板的上方，且所述印刷电路板上集成有所述逆变驱动电路、所述温度检测电路、所述电流检测电路、所述电流检测电路、所述控制电路和所述开关电源电路；
22.所述陶瓷覆铜板上还设置有若干信号端子和若干功率端子，所述陶瓷覆铜板上的各电路分别通过所述信号端子和/或所述功率端子与所述印刷电路板上的各电路相连接。
23.优选地，所述三相整流电路包括：
24.一第一整流二极管，所述第一整流二极管的阳极连接所述三相交流电源的第一端，所述第一整流二极管的阴极连接一第一功率端子；
25.一第二整流二极管，所述第二整流二极管的阳极连接所述三相交流电源的第二端，所述第二整流二极管的阴极连接所述第一功率端子；
26.一第三整流二极管，所述第三整流二极管的阳极连接所述三相交流电源的第三端，所述第三整流二极管的阴极连接所述第一功率端子；
27.一第四整流二极管，所述第四整流二极管的阴极连接所述三相交流电源的所述第一端，所述第四整流二极管的阳极连接一第二功率端子；
28.一第五整流二极管，所述第五整流二极管的阴极连接所述三相交流电源的所述第二端，所述第五整流二极管的阳极连接所述第二功率端子；
29.一第六整流二极管，所述第六整流二极管的阴极连接所述三相交流电源的所述第三端，所述第六整流二极管的阳极连接所述第二功率端子。
30.优选地，所述三相整流电路的各所述整流二极管分别通过铝线键合的方式连接所述陶瓷覆铜板。
31.优选地，所述半桥逆变电路包括至少一个绝缘栅双极型晶体管模块，所述绝缘栅双极型晶体管模块具体包括：
32.一绝缘栅双极型晶体管，所述绝缘栅双极型晶体管的门极连接所述逆变驱动电路
的输出端；
33.一快恢复二极管，所述快恢复二极管的阳极连接所述绝缘栅双极型晶体管的发射极，所述快恢复二极管的阴极连接所述绝缘栅双极型晶体管的集电极。
34.优选地，所述绝缘栅双极型晶体管模块为两个，两个所述绝缘栅双极型晶体管模块串联连接，具体包括
35.一第一绝缘栅双极型晶体管模块，所述第一绝缘栅双极型晶体管模块的集电极连接所述三相整流电路的正输出端；
36.一第二绝缘栅双极型晶体管模块，所述第二绝缘栅双极型晶体管模块的集电极连接所述第一绝缘栅双极型晶体管模块的的发射极，所述第二绝缘栅双极型晶体管模块的发射极连接所述三相整流电路的正输出端。
37.优选地，还包括：
38.一外壳，盖合于所述基板上，所述外壳上设有供各所述功率端子伸出的孔洞，所述外壳还包括：
39.一第一凹槽，所述印刷电路板放置于所述第一凹槽内；
40.若干端子防脱落结构，设置于所述外壳的内部，且所述端子防脱落结构用于防止所述信号端子和/或所述功率端子脱落。
41.优选地，所述第一陶瓷覆铜板和所述第二陶瓷覆铜板均分为上层、中间层和下层，所述上层和所述下层为纯铜材料，所述中间层为三氧化二铝陶瓷，所述上层的非焊接区域或非键合区域涂覆有阻焊油墨。
42.优选地，所述基板为铜底板，所述铜底板采用t2紫铜材料，表面电镀可焊镍，并做弧度预弯处理。
43.本发明技术方案的有益效果在于：
44.本发明旨在提供一种合理的电路设计和结构设计，使得电磁节能灶各功率模块集成度更高，可靠性更强，体积更小巧，在大幅度降低成本的同时，明显提高产品的驱动效率，且具有更高的生产和使用便捷性。
附图说明
45.图1是本发明中一种应用于电磁节能灶的功率半导体集成器件的电路结构示意图；
46.图2是本发明中一种应用于电磁节能灶的功率半导体集成器件具体实施例的内部结构示意图；
47.图3是本发明中一种应用于电磁节能灶的功率半导体集成器件(带铝线)具体实施例的内部结构示意图；
48.图4是本发明中一种应用于电磁节能灶的功率半导体集成器件具体实施例的局部剖面结构示意图。
具体实施方式
49.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的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。
50.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
51.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
52.本发明提供一种应用于电磁节能灶的功率半导体集成器件，属于电磁节能灶集成技术领域，如图1所示，具体包括：
53.一三相整流电路01，三相整流电路01的输入端连接一三相交流电源；
54.一半桥逆变电路02，半桥逆变电路02的输入端连接三相整流电路01的输出端；
55.一逆变驱动电路03，逆变驱动电路03的输出端分别连接半桥逆变电路02的输入端；
56.一温度检测电路(图中未标示)，温度检测电路的输入端连接半桥逆变电路02、一加热线圈(图中未示出)，以及一外部锅具的电阻(图中未示出)，加热线圈连接半桥逆变电路02的输出端，锅具放置于加热线圈上；
57.一电流检测电路(图中未标示)，电流检测电路的输入端连接半桥逆变电路02，且电流检测电路的输入端分别连接一电流检测电阻的两端；
58.一控制电路05，控制电路05的输入端分别连接温度检测电路和电流检测电路，控制电路05的输出端通过一脉宽调制转换电路连接逆变驱动电路03；
59.一开关电源电路04，开关电源电路04的输入端连接三相整流电路01的输出端，开关电源电路04的输出端分别连接逆变驱动电路03的输入端、控制电路05的输入端，开关电源电路04包括一变压器和一开关电源芯片，变压器的副边连接三相整流电路01的输出端，且变压器通过一反馈电路连接开关电源芯片的原边。
60.具体的，本实施例中，本发明的功率半导体集成器件包括电路功能部分和功率部分，其中功率部分包括三相整流电路01、半桥逆变电路02，三相整流电路01连接三相交流电源，半桥逆变电路02连接三相整流电路01的输出端，其中三相整流电路01和半桥逆变电路02之间还连接一滤波电路，滤波电路包括一滤波电容c1，滤波电容c1的两端并联三相整流电路01的输出端；
61.电路功能部分具体包括igbt逆变驱动电路03、温度检测电路、电流检测电路、mcu控制电路05、开关电源电路04；
62.其中，开关电源包括一变压器、一稳压源、一光耦合器、一开关电源芯片，由于开关电源电路04的工作频率较高，可以选择尺寸小、重量轻的变压器，稳压源的型号为tl431，开关电源芯片的型号为uc2844，开关电源电路04分别为逆变驱动电路03、温度检测电路、电流检测电路、控制电路05供电，其中，tl431芯片检测开关电源电路04的输出端的其中电压为+5v的一路的电压变化情况，以实现稳压，其稳压工作原理为：当输入电压(即三相交流电)增大时，会导致变压器副边的输出电压增大，输出采样也随之增大，通过一反馈回路将输出电压反馈给原边的开关电源芯片，电源芯片调节输出占空比，从而使得副边电压输出恢复稳定值，由此形成闭环控制，其中反馈回路包括tl431和光耦合器；
63.igbt驱动电路通过控制半桥逆变电路02的各绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，igbt)模块的开通与关断时间的占空比来实现逆变，绝缘栅双
极型晶体管模块的开通与关断均受由驱动信号控制，而驱动信号是由mcu控制电路05的输出信号经pwm脉宽调制转换电路转换处理后输出得到的；
64.为了保证集成器件及产品的安全，igbt驱动电路还设置了电流检测电路和温度检测电路，电流检测电路和温度检测电路均连接于控制电路05和半桥逆变电路02之间，且均采用闭环控制；当检测到的温度过高时和/或电流过大时，相应的电流检测电路，和/或温度检测电路会输出一信号传输给mcu控制电路05，进而，mcu控制电路05根据电路信号，和/或温度信号来调整绝缘栅双极型晶体管模块的开通与关断，使得半桥逆变电路02恢复正常；
65.进一步的，其中，温度检测共有三路，一路连接功率部分的温度电阻的两端，用于检测绝缘栅双极型晶体管模块中igbt芯片的温度；一路连接半桥逆变电路02输出端的线圈温度电阻，用于检测加热线圈的温度；一路连接外部输入的锅具温度电阻，用于当锅具放置于加热线圈上时，检测锅具的温度。
66.在本发明的一个较佳的实施例中，开关电源电路04和控制电路05之间还设有：
67.一电压转换电路，用于将开关电源电路04的输出电压转换成相应的电压值，并输出给控制电路05；
68.一电压检测电路，用于检测三相整流电路01的输出端电压。
69.具体的，电路功能部分还包括电压转换电路和电压检测电路，分别连接于开关电源电路04和控制电路05之间，电压转换电路用于将开关电源电路04输出的+5v电压转换为3.3v，并提供给mcu控制电路05；电压检测电路采用电压跟随的方式检测三相整流电路01输出的pn两端的电压，并且通过光耦合器隔离的方式隔离高低电压。
70.在本发明的一个较佳的实施例中，如图2和图3所示，还包括：
71.一基板8；
72.一第一陶瓷覆铜板，焊接于基板8上，第一陶瓷覆铜板上焊接有三相整流电路01和至少一个场效应晶体管芯片，场效应晶体管芯片连接开关电源电路04；
73.一第二陶瓷覆铜板，焊接于基板8上，第二陶瓷覆铜板位于第一陶瓷覆铜板的右侧，且第二陶瓷覆铜板上焊接有半桥逆变电路02，以及至少一个温度电阻，温度电阻连接温度检测电路；
74.一印刷电路板81，印刷电路板81位于陶瓷覆铜板9的上方，且印刷电路板81上集成有逆变驱动电路03、温度检测电路、电流检测电路、电流检测电路、控制电路05和开关电源电路04；
75.陶瓷覆铜板9上还设置有若干信号端子和若干功率端子，陶瓷覆铜板9上的各电路分别通过信号端子和/或功率端子与印刷电路板81上的各电路相连接。
76.具体的，在本实施例中，基板8优选采用铜底板，该铜底板采用t2紫铜材料，且表面电镀可焊镍，并做弧度预弯处理，且两块陶瓷覆铜板9和铜底板之间采用真空焊接技术进行连接；上述功率端子和信号端子采用纯铜材料，表面电镀可焊镍，并在焊点上方设计折弯，以缓冲安装应力。
77.进一步地，首先，在基板8上焊接两块正面蚀刻电路的陶瓷覆铜板9，分别为左边的第一陶瓷覆铜板和右边的第二陶瓷覆铜板，陶瓷覆铜板和铜底板之间采用真空焊接技术进行连接。在陶瓷覆铜板9上通过真空焊接的方式放置六个整流二极管、mos场效应晶体管芯片、两个绝缘栅双极型晶体管(由igbt绝缘栅双极型晶体管芯片和fwd二极管芯片通过特定
的电路桥接封装而成)、两个快恢复二极管frd以及一个温度电阻。上述真空焊接工艺有效降低大功率集成器件的热阻，有效提升大功率集成器件的的散热能力。
78.其中，在第一陶瓷覆铜板上放置六个整流二极管，且各整流二极管通过铝线键合的方式与第一陶瓷覆铜板连接，以形成三相整流电路01；整流二极管表面电镀铝层，以利于和铝丝键合。上述铝丝连接方式优选为超声波键合方式，有效提高功率集成器件的生产效率和产品一致性。整流二极管的正面材料为铝，背面材料为银，且其背面与第一陶瓷覆铜板之间采用真空焊接技术进行连接，第一陶瓷覆铜板上还放置有一个mos场效应晶体管芯片，场效应晶体管芯片为开关电源电路04的开关器件，用于控制开关电源电路04的开关。
79.两个绝缘栅双极型晶体管、两个快恢复二极管frd以及一个温度电阻放置在第二陶瓷覆铜板上，共同组成半桥逆变电路02；两个绝缘栅双极型晶体管及其对应的两个快恢复二极管表面电镀铝层，以利于和铝丝键合。上述铝丝连接方式优选为超声波键合方式，有效提高模块生产效率和产品一致性。两个绝缘栅双极型晶体管及其对应的两个快恢复二极管的正面材料为铝，背面材料为银，且其背面与对应的陶瓷覆铜板之间采用真空焊接技术进行连接。
80.在本发明的一个较佳的实施例中，第一陶瓷覆铜板和第二陶瓷覆铜板均分为上层、中间层和下层，上层和下层为纯铜材料，中间层为三氧化二铝陶瓷，上层的非焊接区域或非键合区域涂覆有阻焊油墨。
81.在本发明的一个较佳的实施例中，三相整流电路01包括：
82.一第一整流二极管11，第一整流二极管11的阳极连接三相交流电源的第一端r，第一整流二极管11的阴极连接一第一功率端子41；
83.一第二整流二极管12，第二整流二极管12的阳极连接三相交流电源的第二端s，第二整流二极管12的阴极连接第一功率端子41；
84.一第三整流二极管13，第三整流二极管13的阳极连接三相交流电源的第三端t，第三整流二极管13的阴极连接第一功率端子41；
85.一第四整流二极管14，第四整流二极管14的阴极连接三相交流电源的第一端r，第四整流二极管14的阳极连接一第二功率端子42；
86.一第五整流二极管15，第五整流二极管15的阴极连接三相交流电源的第二端s，第五整流二极管15的阳极连接第二功率端子42；
87.一第六整流二极管16，第六整流二极管16的阴极连接三相交流电源的第三端t，第六整流二极管16的阳极连接第二功率端子42。
88.在本发明的一个较佳的实施例中，三相整流电路01的各整流二极管分别通过铝线键合的方式连接陶瓷覆铜板。
89.在本发明的一个较佳的实施例中，半桥逆变电路02包括至少一个绝缘栅双极型晶体管模块，绝缘栅双极型晶体管模块具体包括：
90.一绝缘栅双极型晶体管(t1、t2)，绝缘栅双极型晶体管(t1、t2)的门极g连接逆变驱动电路03的输出端；
91.一快恢复二极管(d1、d2)，快恢复二极管(d1、d2)的阳极连接绝缘栅双极型晶体管的发射极e，快恢复二极管(d1、d2)的阴极连接绝缘栅双极型晶体管的集电极c。
92.在本发明的一个较佳的实施例中，绝缘栅双极型晶体管模块为两个，两个绝缘栅
双极型晶体管模块串联连接，具体包括
93.一第一绝缘栅双极型晶体管模块，第一绝缘栅双极型晶体管模块的集电极c1连接三相整流电路01的正输出端；
94.一第二绝缘栅双极型晶体管模块，第二绝缘栅双极型晶体管模块的集电极c2连接第一绝缘栅双极型晶体管模块的发射极e1，第二绝缘栅双极型晶体管模块的发射极e2连接三相整流电路01的正输出端。
95.在本发明的一个较佳的实施例中，如图4所示，还包括：
96.一外壳10，盖合于基板8上，外壳10上设有供各功率端子伸出的孔洞，外壳10还包括：
97.一第一凹槽，印刷电路板81放置于第一凹槽内；
98.若干端子防脱落结构，设置于外壳10的内部，且端子防脱落结构用于防止信号端子和/或功率端子脱落。
99.具体的，在本实施例中，还包括一外壳10，外壳10采用pbt材料制成，陶瓷覆铜板上的若干信号端子，和/或若干功率端子由外壳10上的孔洞中伸出，信号端子用于连接功率部分和印刷电路板81。在外壳10上的孔洞的对应位置还分别设有一支撑架，用于在功率端子折弯时支撑功率端子的折弯部分，以便于用户安装使用，优选地，孔洞设置在第一凹槽的底部，对应于基板8上的功率端子和信号端子的设置位置。
100.上述功率端子为金属功率端子，作为功率输入和功率输出进行引出。上述功率端子优选为采用纯铜材料，表面电镀可焊镍，并在焊点上方设计折弯，以缓冲安装应力。上述陶瓷覆铜板上还设有若干信号端子，上述信号端子优选为金属插针，并采用纯铜材料，表面电镀可焊镍。
101.焊接完成后，继续安装外壳10，安装完外壳10后，功率端子和信号端子由孔洞中伸出。且该外壳10优选通过密封胶与铜底板封装一体，并填充绝缘硅凝胶，盖上盖板，将pcb板放置在第一凹槽内，将印刷电路板81上温度检测电路和电流检测电路的输出端通过信号端子引出，并通过将信号端子连接外部主机，使得外部主机能够实时接收相应的过温报警信息以及过流报警信息。
102.于上述较佳的实施例中，在外壳10上还设有放置固定螺母的凹槽，外壳10安装完成后，将固定螺母放置在凹槽内，该凹槽的形状与固定螺母的形状贴合，以防止固定螺母在凹槽中转动。每个凹槽的一侧均设有供功率端子伸出的孔洞，固定螺母放入凹槽后，将对应的功率端子折弯于凹槽的上方，此时，功率端子折弯部的通孔对应于凹槽内的固定螺母，功率端子连接外部器件时，通过一螺栓穿过外部器件的引脚以及功率端子的通孔并拧紧至固定螺母。
103.进一步的，拧紧螺母后，将环氧树脂填充进第一凹槽内，直至填满，并在高温固化后将功率端子折弯，以便于用户安装，使得器件的防水防尘特性较佳。
104.于上述较佳的实施例中，功率端子共有9个，其中第一功率端子41、第二功率端子42、第三功率端子43、第四功率端子44均由三相整流电路01的输出端引出，第一功率端子41和第二功率端子42为一对，分别连接三相整流电路01的输出正负两端；第三功率端子43和第四功率端子44为一对，两对之间连接上述滤波电容c1，第一功率端子41和第三功率端子43连接滤波电容c1的一端，第二功率端子42和第四功率端子44连接滤波电容c1的另一端，
并通过滤波后的第一功率端子41和第二功率端子42连接开关电源电路04，三相整流电路01分别通过第五功率端子45连接三相交流电源的第一端r、通过第六功率端子46连接三相交流电源的第二端s、通过第七功率端子47连接三相交流电源的第三端t，第八功率端子48和第九功率端子49分别由半桥逆变电路02的输出端引出，半桥逆变电路02分别通过第八功率端子48和第九功率端子49连接外部设备；
105.其中，信号端子共有13个，第一信号端子31和第五信号端子35为开关电源电路04的输入端，第一信号端子3连接上述第一功率端子4，第五信号端子3连接上述第二功率端子42；第二信号端子32、第三信号端子33和第四信号端子34分别由mos场效应晶体管芯片引出；第六信号端子36和第七信号端子37连接电流检测电阻的两端，电流检测电阻一端连接三相整流电路01的输出负端，另一端连接第二绝缘栅双极型晶体管模块的发射极，电流检测电阻通过第六信号端子36和第七信号端子37连接电流检测电流；第八信号端子38、第九信号端子39分别由第一绝缘栅双极型晶体管模块的门极、发射极引出，第十信号端子310和第十一信号端子311分别由第二绝缘栅双极型晶体管模块的门极、发射极引出，第十二信号端子312和第十三信号端子313分别连接温度电阻的两端。
106.本发明技术方案的有益效果在于：
107.本发明旨在提供一种合理的电路设计和结构设计，使得电磁节能灶各功率模块集成度更高，可靠性更强，体积更小巧，在大幅度降低成本的同时，明显提高产品的驱动效率，且具有更高的生产和使用便捷性。
108.以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。