具有保护电路的功率模块和功率电子系统技术方案

公开了一种用于驱动电机的功率模块和功率电子系统。该功率模块包括：正总线输入电压端子；用于每个电机相的相端子；逆变器，其包括用于每个电机相的半桥，每个半桥包括被电耦接在正总线输入电压端子与相应的相端子之间的高侧功率开关，以及被电耦接在相应的相端子与地之间的低侧功率开关；第一驱动器电路，其用于驱动每个功率开关的栅极端子；保护开关，其被串联地电耦接在正总线输入电压端子与每个高侧功率开关之间，并且与每个逆变器功率开关相比具有更长的短路耐受时间和更低的短路电流电平；以及第二驱动器电路，其用于在正常工作期间导通保护开关，并且响应于检测到的短路状况而关断保护开关。状况而关断保护开关。状况而关断保护开关。

【技术实现步骤摘要】
具有保护电路的功率模块和功率电子系统


[0001]本公开一般地涉及电子学领域，并且具体地涉及具有保护电路的功率模块以及功率电子系统。

技术介绍

[0002]智能功率模块(IPM)是高度集成的紧凑型功率模块，其被设计成驱动范围从家用电器、风扇和泵到通用驱动器的应用中的电机。IPM包括具有用于每个电机相的半桥的逆变器。每个半桥通常包括电耦接在正总线输入电压端子与相应的相端子之间的高侧IGBT(绝缘栅双极晶体管)，以及电耦接在相应的相端子与地之间的低侧IGBT。IPM中包括的IGBT必须满足关于短路耐受时间(SCWT)的特定要求，其中SCWT是器件驱动上升到其峰值的50％的瞬间与它下降到其峰值的50％的瞬间之间的时间间隔。换句话说，SCWT是IGBT在特定条件下能够承受短路的时间。
[0003]电机能够在相对长的时段(毫秒到秒，取决于电机尺寸和类型)内吸收非常高的电流电平。然而，IGBT具有微秒级的短路耐受时间。IGBT的短路耐受时间与其跨导或增益以及IGBT管芯的热容量有关。较高的增益会导致IGBT内较高的短路电流电平，而较低的增益会导致较低的短路电平。然而，较高的增益会导致较低的导通状态传导损耗(on
‑
state conduction loss)。因此，必须在低导通状态损耗与短路耐受时间之间进行权衡。这样，IGBT的性能例如Vce(sat)和开关速度受到限制。
[0004]因此，需要具有鲁棒的短路耐受时间但不牺牲IGBT性能的功率模块。

技术实现思路

[0005]根据用于驱动电机的功率模块的实施方式，该功率模块包括：正总线输入电压端子；用于电机的每个相的相端子；逆变器，其包括用于电机的每个相的半桥，每个半桥包括电耦接在正总线输入电压端子与相应的相端子之间的高侧功率开关以及电耦接在相应的相端子与地之间的低侧功率开关；第一驱动器电路，其被配置成驱动逆变器的每个功率开关的栅极端子，第一驱动器电路包括被配置成向逆变器的每个高侧功率开关提供第一导通栅极
‑
发射极电压的第一电平转换电路；保护开关，其串联电耦接在正总线输入电压端子与逆变器的每个高侧功率开关之间，与逆变器的每个功率开关相比，保护开关具有更长的短路耐受时间(SCWT)和更低的短路电流电平；以及第二驱动器电路，其被配置成在功率模块的正常工作期间导通保护开关，并且响应于检测到的短路状况关断保护开关，第二驱动器电路包括被配置成向保护开关提供第二导通栅极
‑
发射极电压的第二电平转换电路。
[0006]根据功率电子系统的实施方式，该功率电子系统包括：多相电机；以及被配置成驱动多相电机的功率模块，其中，功率模块包括：正总线输入电压端子；电耦接至多相电机的每个相的相端子；逆变器，其包括用于多相电机的每个相的半桥，每个半桥包括电耦接在正总线输入电压端子与相应的相端子之间的高侧功率开关以及电耦接在相应的相端子与地之间的低侧功率开关；第一驱动器电路，其被配置成驱动逆变器的每个功率开关的栅极端
子，第一驱动器电路包括被配置成向逆变器的每个高侧功率开关提供第一导通栅极
‑
发射极电压的第一电平转换电路；保护开关，其串联电耦接在正总线输入电压端子与逆变器的每个高侧功率开关之间，与逆变器的每个功率开关相比，保护开关具有更长的短路耐受时间(SCWT)和更低的短路电流电平；以及第二驱动器电路，其被配置成在功率模块的正常工作期间导通保护开关，并且响应于检测到的短路状况关断保护开关，第二驱动器电路包括被配置成向保护开关提供第二导通栅极
‑
发射极电压的第二电平转换电路。
[0007]本领域技术人员在阅读以下具体实施方式以及在查看附图后将认识到其他特征和优点。
附图说明
[0008]附图的元素不一定相对于彼此按比例绘制。相似的附图标记表示对应的类似部件。可以将所示出的各种实施方式的特征进行组合，除非它们相互排斥。在附图中描绘了实施方式，并且在下面的描述中对实施方式进行了详细描述。
[0009]图1示出了包括多相电机和用于驱动多相电机的功率模块的电子系统的实施方式的示意图，该功率模块包括逆变器和与逆变器的功率开关分开的过电流保护开关。
[0010]图2示出了根据实施方式的封装中的功率模块的实施方式的平面图。
[0011]图3示出了根据另一实施方式的封装中的功率模块的实施方式的平面图。
[0012]图4示出了用于功率模块的保护开关的驱动器电路的实施方式的框图。
[0013]图5示出了根据另一实施方式的电子系统的示意图。
[0014]图6示出了根据另一实施方式的电子系统的示意图。
[0015]图7示出了根据另一实施方式的电子系统的示意图。
[0016]图8示出了根据另一实施方式的电子系统的示意图。
[0017]图9示出了根据另一实施方式的电子系统的示意图。
具体实施方式
[0018]本文描述了用于驱动电机并且具有鲁棒的短路耐受时间而不牺牲功率开关性能的功率模块。功率模块包括过电流保护开关，与功率模块逆变器的每个功率开关相比，该过电流保护开关具有更长(更久)的短路耐受时间(SCWT)和更低的短路电流电平。因此，可以通过排除SCWT作为逆变器功率开关的要求来优化形成功率模块的逆变器电路的功率开关以获得更好的性能。对于相同的晶体管性能，由于SCWT不是约束，因此可以减小芯片(管芯)尺寸以节省成本。如本文所使用的，术语“功率开关”指的是半导体晶体管器件，该半导体晶体管器件被额定为适应至少100V的电压并且更常见的是400V或更大量级的电压，和/或至少1A的电流并且更常见的是10A或更大量级的电流。
[0019]接下来参照附图描述的是功率模块的示例性实施方式。
[0020]图1示出了包括电机102和用于驱动电机102的功率模块103的电子系统100的实施方式。功率模块103包括正总线输入电压端子
‘
P
’
、用于电机102的每个相的相端子
‘
U
’
、
‘
V
’
、
‘
W
’
以及包括用于电机102的每个相的半桥的逆变器104。每个半桥包括电耦接在正总线输入电压端子P与相应的相端子U/V/W之间的高侧功率开关HSn，例如IGBT(绝缘栅双极晶体管)、SiC MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)等，以及电耦接在相应的相端子U/V/W
与接地之间的低侧功率开关LSn，例如IGBT、SiC MOSFET等。续流二极管与功率模块103的每个逆变器功率开关HSn/LSn反并联耦接，以通过提供防止反向电流的续流路径来保护对应的功率开关HSn/LSn。续流二极管可以例如取决于所使用的功率开关的类型，与对应的功率开关HSn/LSn单片集成或作为分立部件提供。
[0021]功率模块103还包括用于驱动逆变器104的每个功率开关HSn/LSn的栅极端子Gn的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于驱动电机的功率模块，所述功率模块包括：正总线输入电压端子；用于所述电机的每个相的相端子；逆变器，其包括用于所述电机的每个相的半桥，每个半桥包括电耦接在所述正总线输入电压端子与相应的相端子之间的高侧功率开关以及电耦接在所述相应的相端子与地之间的低侧功率开关；第一驱动器电路，其被配置成驱动所述逆变器的每个功率开关的栅极端子，所述第一驱动器电路包括被配置成向所述逆变器的每个高侧功率开关提供第一导通栅极
‑
发射极电压的第一电平转换电路；保护开关，其被串联地电耦接在所述正总线输入电压端子与所述逆变器的每个高侧功率开关之间，与所述逆变器的每个功率开关相比，所述保护开关具有更长的短路耐受时间和更低的短路电流电平；以及第二驱动器电路，其被配置成在所述功率模块的正常工作期间导通所述保护开关，并且响应于检测到的短路状况而关断所述保护开关，所述第二驱动器电路包括被配置成向所述保护开关提供第二导通栅极
‑
发射极电压的第二电平转换电路。2.根据权利要求1所述的功率模块，其中，所述第二驱动器电路和所述第一驱动器电路被集成在同一个半导体管芯中。3.根据权利要求2所述的功率模块，其中，所述电机是三相电机，其中所述逆变器具有三个相，其中所述半导体管芯具有七个输出通道，其中所述七个输出通道中的六个输出通道被电耦接至所述逆变器的三个相的功率开关的栅极端子，并且其中所述七个输出通道中的第七个输出通道被电耦接至所述保护开关的栅极端子。4.根据权利要求1所述的功率模块，其中，所述第一驱动器电路在第一半导体管芯中被实现，并且所述第二驱动器电路在与所述第一半导体管芯分离的第二半导体管芯中被实现。5.根据权利要求4所述的功率模块，其中，所述电机是三相电机，其中所述逆变器具有三个相，其中所述第一半导体管芯具有被电耦接至所述逆变器的三个相的功率开关的栅极端子的六个输出通道，并且其中所述第二半导体管芯具有被电耦接至所述保护开关的栅极端子的单个通道。6.根据权利要求1所述的功率模块，还包括：低侧控制电源端子，其被电耦接至所述第一驱动器电路和所述第二驱动器电路两者。7.根据权利要求1所述的功率模块，还包括：第一自举电路，其被配置成向所述第一驱动器电路提供浮动电源，以完全驱动所述逆变器的每个高侧功率开关；以及第二自举电路，其被电耦接至所述第一自举电路，并且被配置成向所述第二驱动器电路提供浮动电源以完全驱动所述保护开关。8.根据权利要求7所述的功率模块，其中，所述第一自举电路包括：针对所述逆变器的每个高侧功率开关的、跨所述第一驱动器电路的高侧浮动电源电压引脚而被电耦接的第一自举电容器，以及
针对所述逆变器的每个高侧功率开关的、被配置成从所述第一驱动器电路的低侧控制电源对所述第一自举电容器充电的第一自举二极管；其中，所述第二自举电路包括：跨所述第二驱动器电路的浮动电源电压引脚而被电耦接的第二自举电容器，以及针对所述逆变器的每个高侧功率开关的、被配置成从所述第一自举电容器对所述第二自举电容器充电的第二自举二极管。9.根据权利要求1所述的功率模块，还包括：第一自举电路，其被配置成向所述第一驱动器电路提供浮动电源，以完全驱动所述逆变器的每个高侧功率开关；以及隔离电源，其被电耦接至所述第一自举电路，并且被配置成向所述第二驱动器电路提供浮动电源以完全驱动所述保护开关。10.根据权利要求1所述的功率模块，其中，所述保护开关具有与所述逆变器的每个功率开关相同的击穿电压额定值。11.根据权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：李旻燮，李俊培，
申请(专利权)人：英飞凌科技奥地利有限公司，
类型：发明
国别省市：