專利名稱：用于智能功率模塊的異常保護電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種集成電路的異常保護技術(shù)和IGBT的驅(qū)動技術(shù)，特別是一種用于智能功率模塊的異常保護電路。
背景技術(shù)：
智能功率模塊，即IPMdntelligent Power Module)，是一種將電力電子和集成電路技術(shù)結(jié)合的功率驅(qū)動類產(chǎn)品。智能功率模塊把功率開關(guān)器件和高壓驅(qū)動電路集成在一起，并內(nèi)藏有過電壓、過電流和過熱等故障檢測電路。智能功率模塊一方面接收MCU的控制信號，驅(qū)動后續(xù)電路工作，另一方面將系統(tǒng)的狀態(tài)檢測信號送回MCU。與傳統(tǒng)分立方案相比，智能功率模塊以其高集成度、高可靠性等優(yōu)勢贏得越來越大的市場，尤其適合于驅(qū)動電機的變頻器及各種逆變電源，是變頻調(diào)速，冶金機械，電力牽引，伺服驅(qū)動，變頻家電的一種理想電力電子器件。智能功率模塊屬于大功率器件，對上下橋臂的IGBT驅(qū)動有嚴格的時序要求，如果上下橋臂同時導通，將會使智能功率模塊燒毀并繼而燒毀后續(xù)電路而使機器設(shè)備徹底損壞。目前應(yīng)用于傳統(tǒng)智能功率模塊的IGBT驅(qū)動電路如附圖1所示下橋臂驅(qū)動信號 LIN與PMOS管101、NMOS管102的柵極相連，PMOS管101的襯底與射極相連并連接下橋臂供電電源103的正端VCC，NMOS管102的襯底與射極相連并連接下橋臂供電電源103的負端GND ；PMOS管101和NMOS管102的漏極相連并連接IGBT管104的柵極，將該點記為LO ； IGBT管104的射極接GND，IGBT管104的集電極接上橋臂供電電源107的負端VS ；上橋臂驅(qū)動信號HIN與PMOS管105、NM0S管106的柵極相連，PMOS管105的襯底與射極相連并連接上橋臂供電電源107的正端VB，NMOS管106的襯底與射極相連并連接上橋臂供電電源 107的負端VS ；PMOS管105和NMOS管106的漏極相連并連接IGBT管108的柵極，將該點記為HO ；IGBT管108的射極接VS，IGBT管108的集電極接直流高壓P。所述下橋臂驅(qū)動信號LIN和上橋臂驅(qū)動信號HIN是反相關(guān)系，上述各關(guān)鍵點的波形如附圖2所示。因為LO和HO交替出現(xiàn)高電平，IGBT管104和IGBT管108交替導通，VS 的波形在P和GND之間交替變化。HO和LO的一頭接的是驅(qū)動IC，即圖1的曲線部分，另一頭接的是IGBT的柵極，與 IC的連接處不可避免需要用到連線細鋁線或細金線。由于制作工藝的原因，該連接處的連線在固封和高低溫沖擊的過程中有大概500ppm的幾率會出現(xiàn)松脫，從而使IGBT的柵極懸空，在集電極接高壓的情況下，柵極懸空的IGBT會導通，如果另一個IGBT因輸入信號的作用進入導通狀態(tài)，就會造成上下橋臂的IGBT同時導通，從而形成極大的電流，熱積聚會造成IPM爆炸，繼而造成整機電路板燒壞。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的旨在提供一種結(jié)構(gòu)簡單合理、操作靈活、安全程度高、適用范圍廣的用于智能功率模塊的異常保護電路，以克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處。按此目的設(shè)計的一種用于智能功率模塊的異常保護電路，包括PMOS管301、NMOS 管302、下橋臂供電電源303、IGBT管304、PM0S管305、NM0S管306、上橋臂供電電源307和 IGBT管308，其特征是下橋臂驅(qū)動信號LIN與PMOS管301的柵極、NMOS管302的柵極、異常保護電路309的輸入端相連，PMOS管301的襯底與射極相連并連接下橋臂供電電源303 的正端VCC，NMOS管302的襯底與射極相連并連接下橋臂供電電源303的負端GND ；PMOS 管301的漏極和NMOS管302的漏極相連并連接IGBT管304的柵極、異常保護電路309的第一輸出端和第二輸出端，將該點記為LO ；異常保護電路309由下橋臂供電電源303供電； IGBT管304的射極接GND，IGBT管304的集電極接上橋臂供電電源307的負端VS ；上橋臂驅(qū)動信號HIN與PMOS管305的柵極、NMOS管306的柵極、異常保護電路310的輸入端相連， PMOS管305的襯底與射極相連并連接上橋臂供電電源307的正端VB，NMOS管306的襯底與射極相連并連接上橋臂供電電源307的負端VS ；PMOS管305的漏極和NMOS管306的漏極相連并連接IGBT管308的柵極、異常保護電路310的第一輸出端和第二輸出端，將該點記為HO ；IGBT管308的射極接VS，IGBT管308的集電極接直流高壓P。所述下橋臂驅(qū)動信號LIN進入異常保護電路309后與非門311的輸入端相連，非門311的輸出分別連接非門312的輸入端和非門313的輸入端，非門312的輸出端與電容 324的一端、非門314的輸入端相連，電容324的另一端接GND，非門313的輸出端和非門 314的輸出端分別接與非門315的兩輸入端，與非門315的輸出端接非門316的輸入端，非門316的輸出端接NMOS管317的柵極和同步RS觸發(fā)器322的CP端，NMOS管317的襯底和源極相連并連接GND，NMOS管317的漏極連接PMOS管318的漏極和柵極以及PMOS管319 的柵極，PMOS管318的襯底和射極相連并連接VCC，PMOS管319的襯底和射極相連并連接 VCC, PMOS管319的漏極接分別接電阻320的一端和電壓比較器321的正輸入端，電阻320 的另一端接LO和電壓比較器321的負輸入端；電壓比較器321的輸出端接同步RS觸發(fā)器 322的S端，同步RS觸發(fā)器322的R端接GND，同步RS觸發(fā)器322的輸出端接NMOS管323 的柵極，NMOS管323的襯底和源極相連并接到GND，NMOS管323的漏極接L0。本發(fā)明中的異常保護電路309和異常保護電路310的作用完全一致，該兩個異常保護電路分別置于上橋臂和下橋臂的柵極驅(qū)動位置。 在異常保護電路的輸入端的上升沿，異常保護電路的第一輸出端產(chǎn)生一個小電流灌入IC，如果可以形成通路，證明與IC的接線良好，異常保護電路的第二輸出端輸出高阻； 如果不能形成通路，證明與IC的接線已經(jīng)斷開，異常保護電路的第二輸出端輸出低電位， 使IGBT強制截止。在除輸入信號上升沿以外的其他狀態(tài)，異常保護電路的第一輸出端和第二輸出端都表現(xiàn)為高阻態(tài)。本發(fā)明采用上述的技術(shù)方案后，IPM模塊可以及時發(fā)現(xiàn)與IC的連線的通斷，在IC 連線因異常而斷開時，將對應(yīng)的IGBT強制截止，避免了上下橋臂的IGBT同時導通，杜絕了因IPM內(nèi)部有大電流流過而引起的爆炸，有效保護了整機電路板。當IGBT柵極連線松脫時，本發(fā)明能夠及時發(fā)現(xiàn)IGBT柵極連線的異常，將IGBT及時關(guān)斷，具有結(jié)構(gòu)簡單合理、操作靈活、安全程度高、適用范圍廣的特點。


圖1為傳統(tǒng)智能功率模塊的IGBT驅(qū)動電路。圖2為傳統(tǒng)智能功率模塊的IGBT驅(qū)動電路的關(guān)鍵點波形。圖3為本發(fā)明的帶異常保護功能的智能功率模塊的IGBT驅(qū)動電路。圖4為本發(fā)明的異常保護電路的具體實施例。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步描述。參見圖3-圖4，本用于智能功率模塊的異常保護電路，包括PMOS管301、NMOS管 302、下橋臂供電電源303、IGBT管304、PMOS管305、NMOS管306、上橋臂供電電源307和 IGBT管308，其特征是下橋臂驅(qū)動信號LIN與PMOS管301的柵極、NMOS管302的柵極、異常保護電路309的輸入端相連，PMOS管301的襯底與射極相連并連接下橋臂供電電源303 的正端VCC，NMOS管302的襯底與射極相連并連接下橋臂供電電源303的負端GND ；PMOS 管301的漏極和NMOS管302的漏極相連并連接IGBT管304的柵極、異常保護電路309的第一輸出端和第二輸出端，將該點記為L0;異常保護電路309由下橋臂供電電源303供電； IGBT管304的射極接GND，IGBT管304的集電極接上橋臂供電電源307的負端VS ；上橋臂驅(qū)動信號HIN與PMOS管305的柵極、NMOS管306的柵極、異常保護電路310的輸入端相連， PMOS管305的襯底與射極相連并連接上橋臂供電電源307的正端VB，NMOS管306的襯底與射極相連并連接上橋臂供電電源307的負端VS ；PMOS管305的漏極和NMOS管306的漏極相連并連接IGBT管308的柵極、異常保護電路310的第一輸出端和第二輸出端，將該點記為HO ；IGBT管308的射極接VS，IGBT管308的集電極接直流高壓P。所述下橋臂驅(qū)動信號LIN進入異常保護電路309后與非門311的輸入端相連，非門311的輸出分別連接非門312的輸入端和非門313的輸入端，非門312的輸出端與電容 324的一端、非門314的輸入端相連，電容324的另一端接GND，非門313的輸出端和非門 314的輸出端分別接與非門315的兩輸入端，與非門315的輸出端接非門316的輸入端，非門316的輸出端接NMOS管317的柵極和同步RS觸發(fā)器322的CP端，NMOS管317的襯底和源極相連并連接GND，NMOS管317的漏極連接PMOS管318的漏極和柵極以及PMOS管319 的柵極，PMOS管318的襯底和射極相連并連接VCC，PMOS管319的襯底和射極相連并連接 VCC, PMOS管319的漏極接分別接電阻320的一端和電壓比較器321的正輸入端，電阻320 的另一端接LO和電壓比較器321的負輸入端；電壓比較器321的輸出端接同步RS觸發(fā)器 322的S端，同步RS觸發(fā)器322的R端接GND，同步RS觸發(fā)器322的輸出端接NMOS管323 的柵極，NMOS管323的襯底和源極相連并接到GND，NMOS管323的漏極接L0。因為異常保護電路309和異常保護電路310完全一致，所以圖中只畫出了異常保護電路309的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，見圖4。同步RS觸發(fā)器322的輸出初始置位在低電平。當下橋臂驅(qū)動信號LIN的高電平來臨時，所述非門311的輸出端從高電平迅速變成低電平，非門313的輸出端從低電平迅速變成高電平，而因為電容324的存在，為非門312 的MOS管設(shè)計適當?shù)膶掗L比，非門312的輸出端的電位變化是一個慢充電快放電的過程，因此非門312的輸出從低電平緩慢變成高電平，設(shè)此變化時間為T，則非門314的輸出是一個比非門313的高電平延遲T的低電平，與非門315的輸出一個寬度為T的低電平脈沖，其余時間為高電平，非門316輸出的是一個寬度為T的高電平脈沖，其余時間為低電平；在高電平脈沖的作用下，同步RS觸發(fā)器322在T時間內(nèi)處于觸發(fā)狀態(tài)，NMOS管317導通T時間， 在PMOS管318和NMOS管317的通路，將有電流流過，這時有兩種情況(1)如果LO的曲線部分沒有斷開，在PMOS管319側(cè)有相同的鏡像電流，使電阻 320的兩側(cè)產(chǎn)生壓降，電壓比較器321的輸出為低電平，同步RS觸發(fā)器322的輸出保持原來的低電平不變，NMOS管323截止，但因為NMOS管302在此時導通而且LO曲線處沒有斷開， IGBT管304的柵極通過NMOS管302接地，IGBT管截止；(2)如果LO的曲線部分已經(jīng)斷開，在PMOS管319側(cè)沒有電流流過，電阻320的兩側(cè)沒有壓降，電壓比較器321的輸出為高電平，同步RS觸發(fā)器322的輸出被置位為高電平， NMOS管323導通，因此，雖然LO曲線處于斷開，但是IGBT管304仍可通過NMOS管323接地，IGBT被強制截止。當下橋臂驅(qū)動信號LIN處于除上升沿以外的其他狀態(tài)時，與非門315的輸出保持在高電平，非門316輸出保持在低電平，同步RS觸發(fā)器322處于非觸發(fā)狀態(tài)，同步RS觸發(fā)器322的輸出端保持低電平不變，NMOS管323截止，這時有兩種情況(1)如果LO的曲線部分沒有斷開，IGBT管304的導通與否將受下橋臂驅(qū)動信號 LIN控制，因為下橋臂驅(qū)動信號LIN和上橋臂驅(qū)動信號HIN已經(jīng)被確保反相，上下橋臂的 IGBT管一定不會同時導通；(2)如果LO的曲線部分已經(jīng)斷開，在下橋臂驅(qū)動信號LIN的下一個上升沿來臨時， IGBT管304將會被強制截止，避免不斷有大電流流過導致熱積聚而使IPM模塊發(fā)生爆炸。
權(quán)利要求
1.一種用于智能功率模塊的異常保護電路，包括PMOS管(301)、NM0S管(302)、下橋臂供電電源(303)、IGBT管(304)、PM0S管(305)、NMOS管(306)、上橋臂供電電源(307)和 IGBT管(308)，其特征是下橋臂驅(qū)動信號LIN與PMOS管(301)的柵極、匪OS管(302)的柵極、異常保護電路(309)的輸入端相連，PMOS管(301)的襯底與射極相連并連接下橋臂供電電源(303)的正端VCC， NMOS管(302)的襯底與射極相連并連接下橋臂供電電源(303)的負端GND ； PMOS管(301)的漏極和NMOS管(302)的漏極相連并連接IGBT管(304)的柵極、異常保護電路(309)的第一輸出端和第二輸出端，將該點記為L0; 異常保護電路(309)由下橋臂供電電源(303)供電； IGBT管(304)的射極接GND，IGBT管(304)的集電極接上橋臂供電電源(307)的負端VS ；上橋臂驅(qū)動信號HIN與PMOS管(305)的柵極、NMOS管(306)的柵極、異常保護電路 (310)的輸入端相連，PMOS管(305)的襯底與射極相連并連接上橋臂供電電源(307)的正端VB， NMOS管(306)的襯底與射極相連并連接上橋臂供電電源(307)的負端VS ； PMOS管(305)的漏極和NMOS管(306)的漏極相連并連接IGBT管(308)的柵極、異常保護電路(310)的第一輸出端和第二輸出端，將該點記為H0;IGBT管(308)的射極接VS，IGBT管(308)的集電極接直流高壓P。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于智能功率模塊的異常保護電路，其特征是所述下橋臂驅(qū)動信號LIN進入異常保護電路(309)后與非門(311)的輸入端相連，非門(311)的輸出分別連接非門(312)的輸入端和非門(313)的輸入端， 非門(312)的輸出端與電容(324)的一端、非門(314)的輸入端相連， 電容(3M)的另一端接GND，非門(313)的輸出端和非門(314)的輸出端分別接與非門(315)的兩輸入端， 與非門(315)的輸出端接非門(316)的輸入端，非門(316)的輸出端接NMOS管(317)的柵極和同步RS觸發(fā)器(322)的CP端， NMOS管(317)的襯底和源極相連并連接GND，NMOS管(317)的漏極連接PMOS管(318)的漏極和柵極以及PMOS管(319)的柵極， PMOS管(318)的襯底和射極相連并連接VCC， PMOS管(319)的襯底和射極相連并連接VCC，PMOS管(319)的漏極接分別接電阻(320)的一端和電壓比較器(321)的正輸入端，電阻(320)的另一端接LO和電壓比較器(321)的負輸入端；電壓比較器(321)的輸出端接同步RS觸發(fā)器(322)的S端，同步RS觸發(fā)器(322)的R端接GND，同步RS觸發(fā)器(322)的輸出端接NMOS管(323)的柵極，NMOS管(323)的襯底和源極相連并接到GND，NMOS管(323)的漏極接L0。
全文摘要
一種用于智能功率模塊的異常保護電路，包括PMOS管301、NMOS管302、下橋臂供電電源303、IGBT管304、PMOS管305、NMOS管306、上橋臂供電電源307和IGBT管308，下橋臂驅(qū)動信號LIN與PMOS管301的柵極、NMOS管302的柵極、異常保護電路309的輸入端相連，PMOS管301的漏極和NMOS管302的漏極相連并連接IGBT管304的柵極、異常保護電路309的第一輸出端和第二輸出端，將該點記為LO。本發(fā)明能夠及時發(fā)現(xiàn)IGBT柵極連線的異常，將IGBT及時關(guān)斷，具有結(jié)構(gòu)簡單合理、操作靈活、安全程度高和適用范圍廣的特點。
文檔編號H02H7/10GK102263399SQ20111017760
公開日2011年11月30日 申請日期2011年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月28日
發(fā)明者馮宇翔, 華慶, 潘志堅, 程德凱, 陳超, 黃祥鈞 申請人:廣東美的電器股份有限公司