一种PFC智能功率模块、电源模块和用电设备

技术领域

本发明涉及PFC电路技术领域，具体涉及一种PFC智能功率模块、电源模块和用电设备。

背景技术

变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。随着空调的变频化，电源电路的交流/直流转换部分一般都需要搭载PFC电路。

PFC(Power Factor Correction)功率因素校正电路。顾名思义：就是提高电路功率因素的电路。功率因素的定义在这里不再赘述。功率因素的提高意味无功功率的下降，有功功率的上升，代表着负载阻抗的虚部减少，实部增加。所以PFC的就是：使负载表现为纯阻性。纯阻性的负载特点很明显，就是电压电流同相位。

基于BOOST电路的PFC电路实现简单，因其减小电流谐效果明显而得到广泛应用。但是目前工作中大多数PFC电路都是采用各个分立的元器件组成，集成度较低。

PFC电路中，充当开关作用的IGBT元件为关键元器件。由于工作中IGBT元件需要流过大电流，需要对其电流进行检测，减少过负载状态以及抑制发热；还需要对其工作时的温度进行检测，对其实现过流保护、过温保护。

由于PFC电路中的开关器件工作频率较高，因此对于电路寄生电感电容等参数相对敏感，寄生电感量比较大的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种PFC智能功率模块、电源模块和用电设备，以解决相关技术中由于PFC电路中的开关器件工作频率较高，因此对于电路寄生电感电容等参数相对敏感，寄生电感量比较大的问题。

为达到上述技术目的，本发明采取了以下技术方案：

根据本发明的第一方面，提供了一种PFC智能功率模块，包括：

集成于模块内部的PFC电路、采样电路、故障保护电路和驱动电路；

其中，所述采样电路、故障保护电路和驱动电路集成在控制芯片中；

所述PFC电路的所有IGBT及所述控制芯片刻画在晶元上，所述控制芯片与所述PFC电路相连。

优选地，所述PFC电路，包括：

整流电路，连接在交流火线输入端L和交流零线输入端N，用于将输入的交流电转换为直流电；

开关电路，连接在所述整流电路的输出端；

所述整流电路和开关电路之间外接用于储能的PFC电感；

所述开关电路的输出端外接有直流母线储能电容；

所述直流母线储能电容的两端分别与直流正极输出端P和直流负极输出端N相连。

优选地，所述整流电路包括：二极管D1、D2、D3、D4组成的全桥整流电路；

所述开关电路包括：并联的第一开关管Q1、第二开关管Q2和第三开关管Q3。

优选地，所述PFC电感包括：并联的第一电感L1、第二电感L2和第三电感L3；所述第一电感L1的一端与所述整流电路的输出端相连，另一端与所述第三开关管Q3的电流输入端相连；所述第二电感L2一端与所述整流电路的输出端相连，另一端与所述第二开关管Q2的电流输入端相连；所述第三电感L3一端与所述整流电路的输出端相连，另一端与所述第一开关管Q1的电流输入端相连。

优选地，所述第一电感L1与所述第三开关管Q3的电流输入端相连的同时，通过第一二极管D5与所述直流正极输出端P相连；

所述第二电感L2与所述第二开关管Q2的电流输入端相连的同时，通过第二二极管D6与所述直流正极输出端P相连；

所述第三电感L3与所述第一开关管Q1的电流输入端相连的同时，通过第三二极管D7与所述直流正极输出端P相连。

优选地，所述第一开关管Q1的电流输出端通过第一电阻R1接地；

所述第二开关管Q2的电流输出端通过第二电阻R2接地；

所述第三开关管Q3的电流输出端通过第三电阻R3接地。

优选地，所述采样电路包括：集成于控制芯片中的电流采样电路、直流母线采样电路、温度采样电路和输入电压采样电路；

所述控制芯片的引脚U

所述控制芯片的引脚U

所述控制芯片的引脚I

所述控制芯片的引脚I

优选地，所述控制芯片的引脚G1、G2、G3分别与所述第一开关管Q1的控制端，第二开关管Q2的控制端、第三开关管Q3的控制端相连；

所述控制芯片的引脚T1与集成于控制芯片内的温度采样电路相连，用于模块内部温度采样输出。

优选地，所述故障保护电路包括：

集成于控制芯片中的温度保护电路、电流保护电路、输入过压保护电路和驱动电源过压/欠压保护电路。

优选地，所述电流保护电路，包括：

第一电压比较器，其反相输入端分别与所述控制芯片的引脚C1、C2、C3相连，其正向输入端与第一参考电压输入端V

所述逻辑与门的输出端与所述控制芯片的引脚FO相连。

优选地，所述温度保护电路，包括：

第二电压比较器，其反相输入端与所述控制芯片的引脚T1相连，其正向输入端与第二参考电压输入端V

优选地，所述输入过压保护电路，包括：

第三电压比较器，其反相输入端与所述控制芯片的引脚V

优选地，所述驱动电源过压/欠压保护电路，包括：

第四电压比较器，其反向输入端与所述控制芯片的驱动电源VDD相连，其正相输入端与第四参考电压输入端V

第五电压比较器，其正向输入端与所述控制芯片的驱动电源VDD相连，其反相输入端与第五参考电压输入端V

当第四电压比较器的反向输入端电压大于V

优选地，所述控制芯片的引脚S1、S2为选择信号端；

当S1为0，S2为0时，默认开关支路数量为全关状态；

当S1为0，S2为1时，默认选择开关支路数量为1，对应第一开关管Q1所在支路工作；

当S1为1，S2为0时，默认选择开关支路数量为2，对应第一开关管Q1、第二开关管Q2所在支路工作；

当S1为1，S2为1时，默认选择开关支路数量为3，对应第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3所在支路工作。

根据本发明的第二方面，提供了一种电源电路，包括：

上述的PFC智能功率模块。

根据本发明的第三方面，提供了一种用电设备，包括：

上述的电源电路。

本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

通过将采样电路、故障保护电路和驱动电路集成在控制芯片中，将控制芯片和PFC电路集成在模块内，所有IGBT及芯片刻画在晶元上，无需铜箔导线，极大降低了寄生电感量，使得电源运行环境得到了提升。

另外，由于驱动功能、故障保护功能、信号采集功能等都集成到了模块内部，极大减少了外围器件的数量，仅需控制芯片向PFC电路发送PWM驱动信号，减小了PCB体积并降低了开发难度。而由于减少了外围器件，减小了PCB体积及降低了铜箔层数还可以节约产品成本。

附图说明

图1是根据一示例性实施例示出的一种PFC智能功率模块的示意框图；

图2是根据一示例性实施例示出的一种PFC电路的原理图；

图3是根据一示例性实施例示出的一种PFC智能功率模块的原理图；

图4是根据一示例性实施例示出的一种故障保护电路的原理图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

实施例一

图1是根据一示例性实施例示出的一种PFC智能功率模块的示意框图，如图1所示，该PFC智能功率模块包括：

集成于模块内部的PFC电路100、采样电路200、故障保护电路300和驱动电路400；

其中，所述采样电路200、故障保护电路300和驱动电路400集成在控制芯片中；

所述PFC电路的所有IGBT及所述控制芯片刻画在晶元上，所述控制芯片与所述PFC电路相连。

在具体实践中，本实施例提供的技术方案，适用于电源模块中。

可以理解的是，本实施例提供的技术方案，通过将采样电路、故障保护电路和驱动电路集成在控制芯片中，将控制芯片和PFC电路集成在模块内，所有IGBT及芯片刻画在晶元上，无需铜箔导线，极大降低了寄生电感量，使得电源运行环境得到了提升。

另外，由于驱动功能、故障保护功能、信号采集功能等都集成到了模块内部，极大减少了外围器件的数量，仅需控制芯片向PFC电路发送PWM驱动信号，减小了PCB体积并降低了开发难度。而由于减少了外围器件，减小了PCB体积及降低了铜箔层数还可以节约产品成本。

优选地，所述PFC电路，包括：

整流电路，连接在交流火线输入端L和交流零线输入端N，用于将输入的交流电转换为直流电；

开关电路，连接在所述整流电路的输出端；

所述整流电路和开关电路之间外接用于储能的PFC电感；

所述开关电路的输出端外接有直流母线储能电容；

所述直流母线储能电容的两端分别与直流正极输出端P和直流负极输出端N相连。

需要说明的是，直流正极输出端P和直流负极输出端N可直接接负载为客户供电。

参见图2，所述整流电路包括：二极管D1、D2、D3、D4组成的全桥整流电路；

所述开关电路包括：并联的第一开关管Q1、第二开关管Q2和第三开关管Q3。

参见图2，所述PFC电感包括：并联的第一电感L1、第二电感L2和第三电感L3；所述第一电感L1的一端与所述整流电路的输出端相连，另一端与所述第三开关管Q3的电流输入端相连；所述第二电感L2一端与所述整流电路的输出端相连，另一端与所述第二开关管Q2的电流输入端相连；所述第三电感L3一端与所述整流电路的输出端相连，另一端与所述第一开关管Q1的电流输入端相连。

参见图2，所述第一电感L1与所述第三开关管Q3的电流输入端相连的同时，通过第一二极管D5与所述直流正极输出端P相连；

所述第二电感L2与所述第二开关管Q2的电流输入端相连的同时，通过第二二极管D6与所述直流正极输出端P相连；

所述第三电感L3与所述第一开关管Q1的电流输入端相连的同时，通过第三二极管D7与所述直流正极输出端P相连。

参见图2，所述第一开关管Q1的电流输出端通过第一电阻R1接地；

所述第二开关管Q2的电流输出端通过第二电阻R2接地；

所述第三开关管Q3的电流输出端通过第三电阻R3接地。

参见图1，所述采样电路包括：集成于控制芯片中的电流采样电路、直流母线采样电路、温度采样电路和输入电压采样电路；

参见图3，所述控制芯片的引脚U

所述控制芯片的引脚U

所述控制芯片的引脚I

所述控制芯片的引脚I

参见图3，所述控制芯片的引脚G1、G2、G3分别与所述第一开关管Q1的控制端，第二开关管Q2的控制端、第三开关管Q3的控制端相连；

所述控制芯片的引脚T1与集成于控制芯片内的温度采样电路相连，用于模块内部温度采样输出。

参见图1，所述故障保护电路包括：

集成于控制芯片中的温度保护电路、电流保护电路、输入过压保护电路和驱动电源过压/欠压保护电路。

参见图4，所述电流保护电路，包括：

第一电压比较器，其反相输入端分别与所述控制芯片的引脚C1、C2、C3相连，其正向输入端与第一参考电压输入端V

所述逻辑与门的输出端与所述控制芯片的引脚FO相连。

参见图4，所述温度保护电路，包括：

第二电压比较器，其反相输入端与所述控制芯片的引脚T1相连，其正向输入端与第二参考电压输入端V

参见图4，所述输入过压保护电路，包括：

第三电压比较器，其反相输入端与所述控制芯片的引脚V

参见图4，所述驱动电源过压/欠压保护电路，包括：

第四电压比较器，其反向输入端与所述控制芯片的驱动电源VDD相连，其正相输入端与第四参考电压输入端V

第五电压比较器，其正向输入端与所述控制芯片的驱动电源VDD相连，其反相输入端与第五参考电压输入端V

当第四电压比较器的反向输入端电压大于V

需要说明的是，控制芯片的引脚FO输出低电平时，分别进入过流保护模式、过温保护模式、输入电压过压保护模式，或者驱动电源过/欠压保护模式。

参见图3，所述控制芯片的引脚S1、S2为选择信号端；

当S1为0，S2为0时，默认开关支路数量为全关状态；

当S1为0，S2为1时，默认选择开关支路数量为1，对应第一开关管Q1所在支路工作；

当S1为1，S2为0时，默认选择开关支路数量为2，对应第一开关管Q1、第二开关管Q2所在支路工作；

当S1为1，S2为1时，默认选择开关支路数量为3，对应第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3所在支路工作。

需要说明的是，本实施例提及的第一开关管Q1、第二开关管Q2和第三开关管Q3，可以为MOS管，也可以为IGBT模块，也可以为三极管，或者其他新型半导体开关器件。

可以理解的是，本实施例提供的技术方案，将多路交错PFC拓扑的PFC电路、采样电路、故障保护电路及驱动电路高度集成，简化了用户控制器的布局，降低信号传输的串扰影响，改善了EMC性能。由于器件高集成度寄生参数极小，硬件保护抗干扰度极大提升。

模块内集成故障保护电路，可监测IGBT工作电流、温度，及时起到保护作用，提升PFC电路的可靠性、耐久性。

模块内设置2个选择信号端，可根据实际功率需要选择工作时所使用的IGBT支路数量，动态调节模块的输出功率。

综上，本实施例提供的技术方案，通过将采样电路、故障保护电路和驱动电路集成在控制芯片中，将控制芯片和PFC电路集成在模块内，所有IGBT及芯片刻画在晶元上，无需铜箔导线，极大降低了寄生电感量，使得电源运行环境得到了提升。

另外，由于驱动功能、故障保护功能、信号采集功能等都集成到了模块内部，极大减少了外围器件的数量，仅需控制芯片向PFC电路发送PWM驱动信号，减小了PCB体积并降低了开发难度。而由于减少了外围器件，减小了PCB体积及降低了铜箔层数还可以节约产品成本。

实施例二

根据一示例性实施例示出的一种电源电路，包括：

上述的PFC智能功率模块。

可以理解的是，本实施例提供的技术方案，通过将采样电路、故障保护电路和驱动电路集成在控制芯片中，将控制芯片和PFC电路集成在模块内，所有IGBT及芯片刻画在晶元上，无需铜箔导线，极大降低了寄生电感量，使得电源运行环境得到了提升。

另外，由于驱动功能、故障保护功能、信号采集功能等都集成到了模块内部，极大减少了外围器件的数量，仅需控制芯片向PFC电路发送PWM驱动信号，减小了PCB体积并降低了开发难度。而由于减少了外围器件，减小了PCB体积及降低了铜箔层数还可以节约产品成本。

实施例三

根据一示例性实施例示出的一种用电设备，包括：

上述的电源电路。

可以理解的是，本实施例提供的技术方案，通过将采样电路、故障保护电路和驱动电路集成在控制芯片中，将控制芯片和PFC电路集成在模块内，所有IGBT及芯片刻画在晶元上，无需铜箔导线，极大降低了寄生电感量，使得电源运行环境得到了提升。

另外，由于驱动功能、故障保护功能、信号采集功能等都集成到了模块内部，极大减少了外围器件的数量，仅需控制芯片向PFC电路发送PWM驱动信号，减小了PCB体积并降低了开发难度。而由于减少了外围器件，减小了PCB体积及降低了铜箔层数还可以节约产品成本。

上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

上述实施例中的集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在上述计算机可读取的存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在存储介质中，包括若干指令用以使得一台或多台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。

在本申请的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的客户端，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。