專利名稱：數(shù)字功率模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電力電子功率模塊，特別涉及一種內(nèi)部集成微控制器的控制接口全數(shù)字化的功率模塊。
背景技術(shù)：
目前，電力電子技術(shù)發(fā)展迅猛，以半導(dǎo)體功率開關(guān)器件為核心的各種變頻器、逆變電源被廣泛應(yīng)用如變頻調(diào)速、新能源發(fā)電、電力變換等各種領(lǐng)域。電力電子系統(tǒng)的核心器件是半導(dǎo)體功率開關(guān)器件，功率開關(guān)器件與驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路、供電電路、控制電路一同構(gòu)成完整的電力電子系統(tǒng)。為了方便電力電子系統(tǒng)的開發(fā)，縮短研發(fā)周期，功率開關(guān)器件在不斷超高集成度和智能化的方向發(fā)展。在早期的電力電子系統(tǒng)中，大功率開關(guān)器件都是分離器件的。當(dāng)很多功率開關(guān)器件在一起構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)體積變得十分龐大，設(shè)計(jì)師會(huì)面臨散熱、系統(tǒng)可靠性等諸多問題。為了減小系統(tǒng)體積，提高器件的可靠性，由若干個(gè)IGBT及 二極管構(gòu)成的通用功率模塊出現(xiàn)了，這種功率模塊將幾個(gè)功率開關(guān)管組成橋式電路，為使用者帶來了極大方便。功率模塊的出現(xiàn)使系統(tǒng)更加緊湊，體積更小，同時(shí)在散熱性能上也更好。隨著技術(shù)的發(fā)展，智能功率模塊(IPM)出現(xiàn)了，智能功率模塊將功率開關(guān)器件和驅(qū)動(dòng)電路集成在一起，同時(shí)模塊內(nèi)部還設(shè)有過電壓，過電流和過熱保護(hù)等故障檢測(cè)電路，將各種保護(hù)信號(hào)提供給控制系統(tǒng)。這樣系統(tǒng)得到進(jìn)一步簡化，體積也進(jìn)一步縮小。但是，在很多電力電子系統(tǒng)中，為了擴(kuò)大系統(tǒng)的容量，如提升系統(tǒng)電壓，或增大系統(tǒng)電流，常常需要多個(gè)功率模塊并聯(lián)或串聯(lián)后組成一個(gè)高階系統(tǒng)進(jìn)行工作，這時(shí)整個(gè)系統(tǒng)仍然會(huì)十分復(fù)雜，特別是控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)計(jì)人員來說需要花費(fèi)大量開發(fā)時(shí)間。因此，有必要進(jìn)一步增加功率模塊的集成度，使功率模塊的應(yīng)用更加簡單方便，可以縮短電力電子產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高產(chǎn)品開發(fā)效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種控制接口完全數(shù)字化的數(shù)字功率模塊，模塊內(nèi)部集成有控制芯片即相應(yīng)軟件，不需要直接提供PWM等開關(guān)信號(hào)給數(shù)字功率模塊。數(shù)字功率模塊與外部控制器的通訊僅包括時(shí)鐘同步信號(hào)、中斷信號(hào)、以及雙向串行通訊信號(hào)。本發(fā)明提供一種數(shù)字功率模塊，其內(nèi)部包括功率電路(I)、驅(qū)動(dòng)模塊(3)，其特征在于，還包括直流側(cè)電壓檢測(cè)模塊(2)、交流側(cè)電流檢測(cè)模塊(4)、微控制器(7)、可編程邏輯器件(5)、數(shù)字通訊接口模塊(8)、輔助電源(6)；其中，功率電路有一個(gè)由直流正端⑴和直流負(fù)端㈠組成的直流側(cè)端口和一個(gè)交流側(cè)端口 ；直流側(cè)電壓檢測(cè)模塊(2)將檢測(cè)到的功率電路直流側(cè)端口電壓信號(hào)送到微控制器(7)，交流側(cè)電流檢測(cè)模塊(4)將檢測(cè)到的功率電路交流側(cè)端口電流信號(hào)送到微控制器(7)，功率電路交流側(cè)電流檢測(cè)模塊(4)的過流保護(hù)信號(hào)送到可編程邏輯器件(5)，微控制器(7)與可編程邏輯器件(5)之間相連接，可編程邏輯器件(5)產(chǎn)生開關(guān)信號(hào)通過驅(qū)動(dòng)模塊(3)驅(qū)動(dòng)功率電路中的全控半導(dǎo)體開關(guān)器件；數(shù)字通訊接口(8)模塊在數(shù)字功率模塊內(nèi)部與微控制器和可編程邏輯器件連接；輔助電源￠)的輸入端與功率模塊的直流側(cè)端口連接，為數(shù)字功率模塊內(nèi)部的有源器件供電。所述數(shù)字功率模塊，其特征在于，其功率電路是由帶有反向并聯(lián)二極管的半導(dǎo)體開關(guān)器件組成的單相H橋逆變電路，其中單相H橋逆變電路中的每個(gè)橋臂可由多個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)器件并聯(lián)構(gòu)成。所述數(shù)字功率模塊，其特征在于，其功率電路是由帶有反向并聯(lián)二極管的半導(dǎo)體開關(guān)器件組成的三相H橋逆變電路，其中三相H橋逆變電路中的每個(gè)橋臂可由多個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)器件并聯(lián)構(gòu)成。所述數(shù)字功率模塊，其特征在于，所述半導(dǎo)體開關(guān)器件可以是MOSFET或IGBT。所述數(shù)字功率模塊，其特征在于，數(shù)字通訊模塊對(duì)外控制接口包括一個(gè)串行輸入端口(Rx)、一個(gè)串行輸出端口(Tx)、一個(gè)時(shí)鐘同步信號(hào)輸入端口(Sync)、一個(gè)微控制器中斷信號(hào)輸入端口(Int)。 所述數(shù)字功率模塊，其特征在于，數(shù)字功率模塊內(nèi)部分成四層結(jié)構(gòu)，第一層是功率模塊層(9)，功率模塊中的半導(dǎo)體開關(guān)器件被焊接在一個(gè)具有高導(dǎo)熱能力的功率基板上，用于交流電流測(cè)量的電流采樣電阻也焊接在這個(gè)功率基板上；第二層是驅(qū)動(dòng)模塊層(10)，驅(qū)動(dòng)電路和交流側(cè)電流檢測(cè)模塊位于這個(gè)層面；第三層是控制電路層(11);第四層是輔助電源層(12) ο


圖I是本發(fā)明數(shù)字功率模塊功能框圖；圖2是本發(fā)明數(shù)字功率模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖；圖3是本發(fā)明數(shù)字功率模塊的單相功率電路圖；圖4是本發(fā)明數(shù)字功率模塊的時(shí)鐘信號(hào)同步電路。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。圖I是本發(fā)明的數(shù)字功率模塊功能框圖。在數(shù)字功率模塊中包括以下功能電路和模塊功率電路(I)、驅(qū)動(dòng)模塊(3)，直流側(cè)電壓檢測(cè)模塊(2)、交流側(cè)電流檢測(cè)模塊(4)、微控制器(7)、可編程邏輯器件(5)、數(shù)字通訊接口模塊(8)、輔助電源出)。數(shù)字功率模塊的外部接口分成功率接口和控制接口兩個(gè)部分。其中功率接口包括一個(gè)直流輸入端口和一個(gè)交流輸出端口。控制接口包括4個(gè)信號(hào)端口 一個(gè)串行輸入端口(Rx)、一個(gè)串行輸出端口(Tx)、一個(gè)時(shí)鐘同步信號(hào)輸入端口(Sync)、一個(gè)微控制器中斷信號(hào)輸入端口(Int)。明由于將微控制器引入到數(shù)字功率模塊中，功率電路的開關(guān)控制信號(hào)、各種保護(hù)功能和功率電路中重要的電壓、電流信號(hào)的測(cè)量都在數(shù)字功率模塊內(nèi)部完成，這樣就大大簡化了數(shù)字功率模塊的外部接口。數(shù)字功率模塊的工作狀態(tài)和內(nèi)部信息，與外部控制器的控制信息通過雙向的串行接口進(jìn)行交換。在構(gòu)建高階拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電力電子系統(tǒng)時(shí)，多個(gè)數(shù)字功率模塊需要在一個(gè)系統(tǒng)中同步協(xié)調(diào)工作，為了保證系統(tǒng)中所有的數(shù)字功率模塊達(dá)到精確同步，在數(shù)字功率模塊上設(shè)置了時(shí)鐘同步信號(hào)輸入端口(Sync)和微控制器中斷信號(hào)輸入端口(Int)，對(duì)數(shù)字功率模塊中的控制器從時(shí)鐘信號(hào)和軟件運(yùn)行兩個(gè)層面進(jìn)行同步控制。
圖2是數(shù)字功率模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。數(shù)字功率模塊內(nèi)部自下而上分成四個(gè)層面。最下面一層是功率器件層(9)，由功率基板、半導(dǎo)體功率開關(guān)器件及電流采樣電阻構(gòu)成。在本實(shí)施例中采用MOSFET作為半導(dǎo)體功率開關(guān)器件，MOSFET和電流采樣電阻焊接在鋁基板PCB上。第二層是驅(qū)動(dòng)模塊層(10)，這一層上安裝有驅(qū)動(dòng)電路和電流采樣電路。第三層是控制電路層(11)，微控制器、數(shù)字通訊接口模塊、可編程邏輯器件裝在第三層上。最上面一層是輔助電源層(12)。數(shù)字功率模塊內(nèi)部層與層之間采用專業(yè)接口連接。層次化的內(nèi)部結(jié)構(gòu)使數(shù)字功率模塊的體積更加緊湊，并且功率層與控制電路層距離較遠(yuǎn)，功率電路產(chǎn)生的熱量不容易傳遞到控制電路上。在本實(shí)施例中功率電路為單相全控橋式 電路，其電路原理圖如圖3所示。開關(guān)器件為M0SFET，在應(yīng)用中開關(guān)器件也可以采用其他全控半導(dǎo)體開關(guān)器件。在本實(shí)施例中MOSFET選用的是IRFB4321，為了減小開關(guān)的導(dǎo)通阻抗，降低模塊發(fā)熱量，可以將多個(gè)MOSFET并聯(lián)構(gòu)成一個(gè)開關(guān)橋臂。所有的MOSFET焊接在一個(gè)具有較高導(dǎo)熱能力的功率基板上。為了檢測(cè)功率電路交流側(cè)電流，在交流輸出支路上串聯(lián)有采樣電阻R，交流電流檢測(cè)模塊通過測(cè)量電阻R兩端電壓獲取交流電流信息。驅(qū)動(dòng)模塊采用可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)上下橋臂的驅(qū)動(dòng)芯片，上下橋臂開關(guān)信號(hào)的死區(qū)時(shí)間由驅(qū)動(dòng)芯片自動(dòng)插入。開關(guān)控制信號(hào)由微控制器產(chǎn)生并送到可編程邏輯器件中?？删幊踢壿嬈骷邮盏介_關(guān)控制信號(hào)以及各種保護(hù)信號(hào)后，經(jīng)過相應(yīng)的邏輯轉(zhuǎn)換將開關(guān)控制信號(hào)送到驅(qū)動(dòng)模塊。可編程邏輯器件收到的保護(hù)信號(hào)包括微控制器發(fā)出的軟件保護(hù)信號(hào)，如欠壓、過壓、過流、上位機(jī)保護(hù)等信號(hào)，以及從電流測(cè)量模塊發(fā)出的過流保護(hù)信號(hào)。其中電流測(cè)量模塊發(fā)出的過流保護(hù)信號(hào)能夠在功率模塊出現(xiàn)短路時(shí)提供快速的響應(yīng)。為了盡量簡化數(shù)字功率模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在信號(hào)的測(cè)量上只設(shè)置了直流側(cè)電壓和交流側(cè)電流兩個(gè)信號(hào)的測(cè)量。其中功率電路直流電壓信號(hào)取樣后，通過信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行調(diào)理，然后送到微控制器的模數(shù)轉(zhuǎn)換接口。在對(duì)功率電路交流電流信號(hào)檢測(cè)上，使用了專用的電機(jī)控制電流感應(yīng)集成電路IR2177.該集成電路專為電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它通過一個(gè)外部分流電阻感應(yīng)橋式電路中輸出相電流，將電流信息從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)，并將信號(hào)轉(zhuǎn)至低壓電路。集成電路輸出兩種格式的電流米樣信號(hào)，一種是PWM格式，由PWM信號(hào)的占空比反映采樣電流信號(hào)；一種是直接輸出精確的模擬電壓信號(hào)。在本實(shí)施例中，電流感應(yīng)集成電路IR2177的模擬輸出信號(hào)被送到微控制器的模數(shù)轉(zhuǎn)換端口。同時(shí)，IR2177帶有過電流保護(hù)信號(hào)輸出，當(dāng)功率電路輸出相電流超出保護(hù)電流門限時(shí)，IR2177將產(chǎn)生一個(gè)過電流保護(hù)信號(hào)。該過電流保護(hù)信號(hào)被送到可編程邏輯器件，當(dāng)功率電路輸出相電流過流時(shí)，可編程邏輯器件可以立即關(guān)閉所有功率開關(guān)，對(duì)模塊進(jìn)行保護(hù)?？删幊踢壿嬈骷臀⒖刂破鞴餐M成控制系統(tǒng)。其中可編程邏輯器件主要用于處理來自微控制器的功率開關(guān)控制信號(hào)及各種保護(hù)信號(hào)，將為控制的器的發(fā)出的功率開關(guān)控制信號(hào)送到驅(qū)動(dòng)電路，并加入保護(hù)邏輯，在各種故障信號(hào)來臨時(shí)關(guān)閉功率開關(guān)，以保護(hù)模塊?？删幊踢壿嬈骷?nèi)設(shè)有對(duì)微控制器的看門狗模塊，當(dāng)微控制器失效時(shí)，所有功率開關(guān)被關(guān)閉以保護(hù)模塊。微控制器接受外部主控制器發(fā)送的工作參數(shù)，對(duì)功率開關(guān)進(jìn)行控制。微控制器通過測(cè)量功率電路的直流側(cè)電壓和交流側(cè)電路，對(duì)模塊進(jìn)行過壓、欠壓和過流保護(hù)。同時(shí)，根據(jù)直流側(cè)電壓和交流側(cè)電流信號(hào)，使用PWM信號(hào)對(duì)功率開關(guān)進(jìn)行控制，可以到達(dá)控制交流側(cè)輸出電壓和電流的目的。
在電力電子系統(tǒng)中對(duì)每個(gè)開關(guān)的同步控制至關(guān)重要，在數(shù)字功率模塊中同時(shí)采用了兩種同步方法，保證多個(gè)數(shù)字功率模塊同時(shí)協(xié)同工作時(shí)，每個(gè)數(shù)字功率模塊與主控制器精確同步。首先是數(shù)字功率模塊微控制器的時(shí)鐘信號(hào)與外部時(shí)鐘的同步。數(shù)字功率模塊的微控制器時(shí)鐘信號(hào)由晶振產(chǎn)生。由于每個(gè)晶振都有細(xì)微的差別，因此，即使使用同頻率的晶振，主控制器與數(shù)字功率模塊的時(shí)鐘信號(hào)也不可能完全。為此，在數(shù)字功率模塊內(nèi)部設(shè)計(jì)了能夠跟蹤外部時(shí)鐘輸入信號(hào)的時(shí)鐘同步電路。圖4為數(shù)字功率模塊內(nèi)的時(shí)鐘信號(hào)同步電路，在本實(shí)施例中時(shí)鐘頻率為7. 6MHz。在圖中X為與外部時(shí)鐘頻率一致的晶振，振蕩頻率為
7.6MHz，NI、N2、N3為反相器，Cl、C2、C3為33pf電容，R為IM歐姆電阻。當(dāng)接入外部輸入時(shí)鐘信號(hào)時(shí)，該電路輸出信號(hào)能夠完全跟蹤輸入時(shí)鐘的頻率和相位，當(dāng)無外部輸入時(shí)鐘時(shí)，該電路輸出頻率為本地晶振的時(shí)鐘信號(hào)。因此，在外部時(shí)鐘信號(hào)丟失的情況下，數(shù)字功率模塊內(nèi)的微控制器仍然能夠在本地時(shí)鐘下正常工作。本發(fā)明的數(shù)字功率模塊將控制器、驅(qū)動(dòng)電路、功率器件、電源等電路集成到一個(gè)模塊中，使數(shù)字功率模塊的使用更加簡單。使用數(shù) 字功率模塊可以快速開發(fā)出各種電力電子設(shè)備。雖然本發(fā)明已經(jīng)參考其中的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員仍然可進(jìn)行很多變通和改進(jìn)等等。只要不超出本發(fā)明精神，都應(yīng)該在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)字功率模塊，其內(nèi)部包括功率電路(I)、驅(qū)動(dòng)模塊(3)，其特征在于，還包括直流側(cè)電壓檢測(cè)模塊(2)、交流側(cè)電流檢測(cè)模塊(4)、微控制器(7)、可編程邏輯器件(5)、數(shù)字通訊接口模塊(8)、輔助電源(6)； 其中，功率電路有一個(gè)由直流正端(+)和直流負(fù)端(_)組成的直流側(cè)端口和一個(gè)交流側(cè)端口 ；直流側(cè)電壓檢測(cè)模塊⑵將檢測(cè)到的功率電路直流側(cè)端口電壓信號(hào)送到微控制器(7)，交流側(cè)電流檢測(cè)模塊(4)將檢測(cè)到的功率電路交流側(cè)端口電流信號(hào)送到微控制器(7)，交流側(cè)電流檢測(cè)模塊⑷的過流保護(hù)信號(hào)送到可編程邏輯器件(5)，微控制器(7)與可編程邏輯器件(5)之間相連接，可編程邏輯器件(5)產(chǎn)生開關(guān)信號(hào)通過驅(qū)動(dòng)模塊(3)驅(qū)動(dòng)功率電路中的全控半導(dǎo)體開關(guān)器件；數(shù)字通訊接口(8)模塊在數(shù)字功率模塊內(nèi)部與微控制器和可編程邏輯器件連接；輔助電源￠)的輸入端與功率模塊的直流側(cè)端口連接，為數(shù)字功率模塊內(nèi)部的有源器件供電。
2.如權(quán)利要求I所述的數(shù)字功率模塊，其特征在于，其功率電路是由帶有反向并聯(lián)二極管的半導(dǎo)體開關(guān)器件組成的單相H橋逆變電路，其中單相H橋逆變電路中的每個(gè)橋臂可由多個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)器件并聯(lián)構(gòu)成。
3.如權(quán)利要求I所述的數(shù)字功率模塊，其特征在于，其功率電路是由帶有反向并聯(lián)二 極管的半導(dǎo)體開關(guān)器件組成的三相H橋逆變電路，其中三相H橋逆變電路中的每個(gè)橋臂可由多個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)器件并聯(lián)構(gòu)成。
4.如權(quán)利要求2、3所述數(shù)字功率模塊，其特征在于，所述半導(dǎo)體開關(guān)器件可以是MOSFET 或 IGBT。
5.如權(quán)利要求I所述的數(shù)字功率模塊，其特征在于，數(shù)字通訊模塊對(duì)外控制接口包括一個(gè)串行輸入端口(Rx)、一個(gè)串行輸出端口(Tx)、一個(gè)時(shí)鐘同步信號(hào)輸入端口(Sync)、一個(gè)微控制器中斷信號(hào)輸入端口(Int)。
6.如權(quán)利要求I所述的數(shù)字功率模塊，其特征在于，數(shù)字功率模塊內(nèi)部分成四層結(jié)構(gòu)，第一層是功率模塊層(9)，功率模塊中的半導(dǎo)體開關(guān)器件被焊接在一個(gè)具有高導(dǎo)熱能力的功率基板上，用于交流電流測(cè)量的電流采樣電阻也焊接在這個(gè)功率基板上；第二層是驅(qū)動(dòng)模塊層(10)，驅(qū)動(dòng)電路和交流側(cè)電流檢測(cè)模塊位于這個(gè)層面；第三層是控制電路層(11)；第四層是輔助電源層(12)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種控制接口完全數(shù)字化的功率模塊，它包括由全控半導(dǎo)體開關(guān)器件構(gòu)成的功率電路(1)、驅(qū)動(dòng)模塊(3)、交流側(cè)電流檢測(cè)模塊(4)、直流側(cè)電壓檢測(cè)模塊(2)、微控制器(7)、可編程邏輯器件(5)、數(shù)字通訊接口模塊(8)、輔助電源(6)，所有功能模塊和功率電路都封裝在一個(gè)外殼內(nèi)。本發(fā)明的功率模塊具有緊湊的體積，并且內(nèi)部集成了控制器件和相應(yīng)的軟件，具有非常高的集成度。本發(fā)明可用于各種變頻器和逆變電源。
文檔編號(hào)H02H7/122GK102761287SQ20111010742
公開日2012年10月31日 申請(qǐng)日期2011年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月28日
發(fā)明者徐雅梅, 曼蘇樂 申請(qǐng)人:常州天曼智能科技有限公司