驅(qū)動電路IR2110的特性及應用

1、驅(qū)動電路IR2110 的特性及應用功率變換裝置中的功率開關(guān)器件，根據(jù)主電路的不同，一般可采用直接驅(qū)動和隔離驅(qū)動兩種方式。其中隔離驅(qū)動可分為電磁隔離和光電隔離兩種。光電隔離具有體積小，結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，但同時存在共模抑制能力差，傳輸速度慢的缺點?？焖俟怦畹乃俣纫矁H有幾十kHz。電磁隔離用脈沖變壓器作為隔離元件，具有響應速度快（脈沖的前沿和后沿），原副邊的絕緣強度高，dv/ dt共模干擾抑制能力強等特點。但信號的最大傳輸寬度有受磁飽和特性的限制，因而信號的頂部不易傳輸。而且最大占空比被限制在50%。同時信號的最小寬度也要受磁化電流的限制。同時脈沖變壓器體積也大，而且笨重，工藝復雜。凡是隔離驅(qū)動方式，

2、每路驅(qū)動都需要一組輔助電源，若是三相橋式變換器，則需要六組，而且還要互相懸浮，因而增加了電路的復雜性。隨著驅(qū)動技術(shù)的不斷成熟，現(xiàn)已有多種集成厚膜驅(qū)動器推出。如EXB840/841、EXB850/851、M57959L /AL、M57962L /AL、HR065等等，它們均采用的是光耦隔離，而光耦隔離仍受到上述缺點的限制。而美國IR公司生產(chǎn)的IR2110驅(qū)動器則兼有光耦隔離（體積小）和電磁隔離（速度快）的優(yōu)點，是中小功率變換 裝置中驅(qū)動器件的首選品種。1 IR2110的結(jié)構(gòu)特點IR2110采用HVIC和閂鎖抗干擾 CMOS工藝制造，DIP14腳封裝。該器件具有獨立的低端和高端輸入通道。 其懸浮電

3、源采用自舉電路，高端工作電壓可達500 V, dV/dt=艾0 Wns, 15 V下的靜態(tài)功耗僅116 mW。IR2110的輸出端f腳3,即功率器件的柵極驅(qū)動電壓）電壓范圍為1020 V,邏輯電源電壓范圍（腳9）為515 V,可方便地與TTL、CMOS電平相匹配，而且邏輯電源地和功率地之間允許有 i5 V的偏移量；此外， 該器件的工作頻率可達 500 kHz ,而且開通、關(guān)斷延遲?。ǚ謩e為120 ns和94 ns）,圖騰柱輸出峰值電流為2 AoIR2110的內(nèi)部功能框圖如圖1所示。由圖可見，它由邏輯輸入、電平平移及輸出保護三個部分組成。IR2110可以為裝置的設計帶來許多方便，尤其是高端懸浮自

4、舉電源的成功設計，可以大大減少驅(qū)動電源的數(shù)目。2自舉元器件的選擇圖2所示是基于IR2110的半橋驅(qū)動電路。其中的自舉二極管 VD1和電容C1是IR2110在大功率脈寬調(diào)制 放大器應用時需要嚴格挑的元器件， 應根據(jù)一定的規(guī)則進行計算分析。 在電路實驗時，還要進行一些調(diào)整，以使電路工作在最佳狀態(tài)。2.1自舉電容的設計IGBT和PM(POWER MOSFET)具有相似的門極特性，它們在開通時都需要在極短的時間內(nèi)向門極提供足 夠的柵電荷。假定在器件開通后，自舉電容兩端的電壓比器件充分導通所需要的電壓(10 V,高壓側(cè)鎖定電壓為8.7/8.3 V)要高，而且在自舉電容充電路徑上有1.5 V的壓降(包括V

5、D1的正向壓降)，同時假定有1/2的柵電壓(柵極門檻電壓 VTH通常35 V)因泄漏電流引起電壓降。那么，此時對應的自舉電容可用下式表示:切(UUL5)例如IRF2807充分導通時所需要的柵電荷 Qg為160 nC(可由IRF2807電特性表查得)，Vcc為15V,那么有：C,=2x 160x10(15-)0-1.5) =9.1x10 F這樣C1約為0.1瑚，設計中即可選取 C1為0.22 nF或更大，且耐壓大于 35 V的獨石電容。2.2懸浮驅(qū)動的最寬導通時間 ton(max)確定當最長的導通時間結(jié)束時，功率器件的門極電壓 Vgs仍必須足夠高，即必須滿足式 (1)的約束關(guān)系。對于 M OSE

6、FT，因為絕緣門極輸入阻抗比較高，假如柵電容 (Cgs)充電后，在Vcc為15 V時有15gA的漏電流(Ig Qs)從C1中抽取，若仍以本文的自舉電容設計的參數(shù)為例，Qg=160 nC, U=Vcc-10-1.5=3.5 V, Qavail= UC=3.5x0.22=0.77 "。則過剩電荷 Q=0.77-0.16=0.61 Uc= Q/C=0.61 /0.22=2.77 V,因此可得Uc=10+2.77=12.77 V。由U=Uc及柵極輸入阻抗 R為1娘，即可求出t(即ton(max)為：Uf1x1O6xO.22x10"6 ki(12.3&10)=46.6 ms2

7、.3懸浮驅(qū)動的最窄導通時間ton(min)確定 在自舉電容的充電路徑上，分布電感將會影響充電的速率。下管的最窄導通時間應保證自舉電容能夠有足夠的電荷，以滿足 Gge所需要的電荷量加上功率器件穩(wěn)態(tài)導通時漏電流所失去的電荷量。因此從最窄導通時間ton(min)考慮，自舉電容應足夠小。實際上，在選擇自舉電容大小時，應當綜合考慮，既不能大到影響窄脈沖的驅(qū)動性能，但也不能太小。2.4自舉二極管的選擇自舉二極管是一個重要的自舉器件。它應在高端器件開通時能阻斷直流干線上的高壓，并且應當是快恢復 二極管，以減小從自舉電容向電源Vcc的回饋電荷。二極管承受的電流是柵極電荷與開關(guān)頻率之積。為了減少電荷損失，應選擇

8、反向漏電流小的快恢復二極管。如果電容需要長期貯存電荷，則高溫反向漏電流十分重要。二極管耐壓選擇可按后級功率 MOSEFT管的要求來定，其最大反向恢復時間trr要小于等于100 ns,二極管所承受的電流IF=Qbsf。3 IR2110的擴展應用3.1高壓側(cè)懸浮驅(qū)動的自舉原理在圖2所示的IR2110用于驅(qū)動半橋的電路圖中，C1、VD1分別為自舉電容和二極管，C2為VCC的濾波電容。假定在S1關(guān)斷期間，C1已充到足夠的電壓(Vc1Vcc)。那么，HIN為高電平時VM1開通，VM2關(guān) 斷，VC1加到S1的門極和發(fā)射極之間，C1通過VM1、Rg1和S1門極柵極電容Cgc1放電，從而使Cgc1 被充電。此

9、時，VC1可等效為一個電壓源。而當 HIN為低電平時，VM2開通，VM1斷開，S1柵電荷經(jīng)R g1、VM2迅速釋放，使S1關(guān)斷。然后經(jīng)短暫的死區(qū)時間 (td)之后，LIN為高電平，S2開通，VCC經(jīng)VD1 , S2給C1充電，并迅速為 C1補充能量，并如此循環(huán)反復。由此可知，自舉電路必須在IR2110輸人信號不斷的高低電平變化中，且自舉電容反復充、放電時，才能起 到正常的自舉作用，而當IR2110的輸人信號是直流電平信號時，自舉電容將不能完成電荷的儲存，即不能得到正常的充電，因此也不能為高端二極管提供驅(qū)動信號。如果不解決IR2110此功能的不足，則當電機負載實際工作在占空比為 1,負載兩端電壓

10、為零時，電機將停止工作；同時也會給功率開關(guān)管帶來很大的電 流變化率，從而影響功率管的使用壽命和長期可靠性。因此，在工作中應采取下面兩種技術(shù)措施。(1)輸入幅度鑒別電路的應用為了克服上述不足，可在工作中設計輸入幅度鑒別電路，其電路如圖3所示。該電路不僅可保證在輸入信號的線性區(qū)內(nèi)，輸出調(diào)寬方波信號，而且，當輸入信號在線性區(qū)外時，電路也可以輸出固定的占空比信號， 這樣，即可保證電機在線性區(qū)外也能正常轉(zhuǎn)動，同時也保證了輸出負載電流不會產(chǎn)生大的突變。電荷泵電路當電路輸入100%占空比信號時，其核心振蕩電路CD4093將產(chǎn)生一定頻率的方波信號。當此方波信號為低 電平時，功率電源+Vs通過D5給儲能電容C3

11、充電；而當此方波信號為高電平時， C3則通過D4給自舉電 容C2充電，以維持自舉電容的能量，最終使電路在 100%占空比輸入信號時，由 H橋輸出100%的占空比信號，同時也保證輸出電流的連續(xù)性。圖4所示為電荷泵電路圖。勉有現(xiàn)電中3.2防直通導通延時電路對H橋驅(qū)動電路上下橋臂功率晶體管加互補信號后，由于帶載情況下，晶體管的關(guān)斷時間通常比開通時間長，這樣，當下橋臂晶體管未及時關(guān)斷而上橋臂搶先開通時，就會出現(xiàn)所謂橋臂直通”故障。這樣會使橋臂直通時電流迅速變大，從而造成功率開關(guān)損壞。所以設置導通延時及死區(qū)時間必不可少。IR2110具有一定的死區(qū)時間，其大小為 10 ns且不可外調(diào)，而實際使用中，MOS

12、EFT管的關(guān)斷時間比開通時間有時還要比10ns大，此時就需要外加延時電路來加大死區(qū)時間，以防止電路直通，圖5給出了一種導通延時電路及其波形。導通延時也可以通過 RC時間常數(shù)來設置。對 GTR，可按0.2卬/A來設置；而對 MOSFET，則可按0.1八 0.2卬來設計，且與電流無關(guān)；IGBT可按25卬來設計。假如 GTR的f為5 kHz旦雙極性工作，調(diào)寬區(qū) 域為T/2=1 /10=0.1 ms,此時若I為100 A,則 t=0.2 X 100=20*s這樣PWM調(diào)制分辨率的最大可能性 為：(772)也=0.12,02=5(5)這說明死區(qū)時間占據(jù)了調(diào)制周期的1 /5,顯然是不可行的。所以，對于 100 A的電機系統(tǒng)，GTR的開關(guān)頻率必須低于5 kHz。例如，2 kHz以下，此時的分辨率可達 12.5左右。4結(jié)束語IR2110是一種性能比較優(yōu)良的驅(qū)動集成電路，它的自舉懸浮驅(qū)動電源可同時驅(qū)動同一橋臂的上、下兩個開 關(guān)器件，驅(qū)動電壓高達 500 V,工作頻率為500 kHz，并具有電源欠壓保護關(guān)斷邏輯。IR2110的輸出用圖騰柱結(jié)構(gòu)，驅(qū)動峰值電流為 2 A,同時兩通道還設有低壓延時封鎖 (50ns)。此外，芯片還有一個封鎖兩路輸 出的保護端SD，在SD輸入高電平時，兩路