自舉供電驅動電路設計_魏巍

1、工藝技術應用逆變電源中自舉供電驅動電路設計魏 巍,王興蔚,龔軍勇,張懷武(電子科技大學 微電子與固體電子學院,四川成都 610054摘 要:逆變電源作為一種大功率的電源裝置, 后級驅動電路的共通往往會使 H 橋場效應管發(fā)熱甚至燒壞, 對逆變系統(tǒng)的性能有著十分重要的影響。分析了芯片 ir2110作為后級驅動導致 H 橋共通產生的原因,同時利用 吸收緩沖電路和負壓關斷電路對逆變電源驅動電路的設計進行了優(yōu)化,通過專業(yè)的電源設計與仿真軟件 Saber 進行了仿真與驗證,最終設計出了一種能很好防止共通的 H 橋驅動電路結構。關鍵詞:逆變電源;自舉供電;驅動電路;設計;仿真中圖分類號:TM464 文獻標識

2、碼:A 文章編號:1001-3830(201306-0063-04 Design of bootstrap power drive circuit of inverter power supply WEI Wei, WANG Xing-wei, GONG Jun-yong, ZHANG Huai-wuSchool of Micro-electronics and Solid-state Electronics, University of ElectronicScience and Technology of China, Chengdu 610054, ChinaAbstract: As a

3、 high-power supply apparatus, common conduction of the after-stage driver circuit of inverter power always makes MOS tubes of the H Bridge fever and even burn out, seriously affecting the performance of the inverter system. By analyzing the reason for common conduction of H Bridge of the after stage

4、 driver circuit of the ir2110 and making use of the snubber circuit and negative voltage shutdown circuit, optimized design of the power inverter driver circuit was given, and simulation and verification was conducted by software Saber. Finally, a better driver circuit of H Bridge was designed for p

5、reventing common conduction.Key words:inverter power; bootstrap power supply; drive circuit; design; simulation1 引言逆變電源是將直流電轉換為交流電 (主要是方 波和正弦波 的一種轉換裝置, 廣泛應用于工業(yè)設 備、軍用車載、太陽能及風能發(fā)電領域中。 逆變電 源波形的改變主要是通過控制金屬氧化物半導體 場效應晶體管(MOSFET 、絕緣柵雙極性晶體管 (IGBT 、 可關斷晶閘管(GTO 等多種功率器件 規(guī)律性的導通與關斷來實現的, 其中尤以 MOSFET 應用最廣。一般的逆變電源設計

6、采用高頻鏈結構 (包括前級直流升壓 DC-DC 電路和后級高壓直流 變交流 DC-AC 電路的拓撲結構 , 后級電路需要由 四個功率 MOSFET 形成的 H 橋電路結合濾波器輸收稿日期:2012-10-01 修回日期:2013-04-02通訊作者:魏巍 E-mail: 1091241009 出正弦波。 H 橋 MOSFET 管的驅動方法主要有兩 種,一是采用專用 MOSFET 智能驅動芯片實現, 另一個是采用驅動能力強的光耦實現。 其中美國 IR 公司推出的高壓浮動驅動集成模塊 ir2110, 由于具 有體積小、 速度快和外圍電路設計簡單等優(yōu)點而被 廣泛應用 1。 本文就 ir2110典型驅

7、動電路在實際使 用中存在的共通問題進行了分析, 并提出了相應的 解決方案,對 H 橋自舉驅動電路結構進行了改善。 2 ir2110典型驅動電路及工作原理ir2110的典型驅動電路如圖 1所示, 其自舉工 作原理如下:D 1和 C 1分別為自舉二極管和自舉電 容。 M1斷開時, M2導通,電容 C 1下端接地,電 容開始充電, 使電容兩端電壓為 V c1=V CC 。 當 ir2110的 10腳輸入高電平時,內部的 VM1導通, VM2關斷,且 M2斷開, M1導通,電容 C 1的兩端電壓磁性材料及器件 2013年 11月 63圖 1 ir2110典型應用驅動電路 2相當于 M1柵源極電壓, 電

8、容 C 1上的電荷通過 VM1和 Rg 1放電給 M1的柵源極電容 Cgs 1,從而使 M1導通。當 10腳輸入低電平時, M2導通,電容 C 1下端接地,電容又開始充電。如此循環(huán),就實現了 懸浮驅動的自舉供電。3 ir2110在實際應用中的問題及分析ir2110在驅動全橋 MOS 管工作時會很不穩(wěn)定, 伴隨著直流母線電壓的增高,同一橋臂上下 MOS 管會出現不同程度的直通現象。 在母線電壓較低時 MOS 管的驅動電壓波形毛刺較小,驅動波形較理 想;母線電壓較高時, MOS 管的驅動電壓波形毛 刺較高,極易使同一橋臂上下 MOS 管導通,引起 炸管。這種現象是由于 MOS 管的米勒電容(GD

9、結電容 引起的, 下面就米勒電容對電路的影響過 程進行分析,圖 2是 ir2110典型電路驅動 H 橋的 等效電路圖和驅動波形。圖中 C 1、 C 2分別是 Q 1、 Q 2的結電容,圖 2b圖 2 含有米勒電容半橋上下 MOS 管的(a 等效電路和(b 驅動波形 上下兩個波形分別是 Q 1、 Q 2的柵極驅動波形, Q 3、 Q 4相當于 ir2110內部的推挽輸出口。 t 1-t 2為上下 MOS 管的死區(qū)時間段,這段時間內兩管不導通, 半橋的中點電壓為母線電壓的一半,即 C 1、 C 2充 電電壓也為直流母線電壓的一半。 驅動信號運行到 t 2時刻, Q 1開始導通,半橋中點電位急劇上升

10、, C 2通過母線電壓充電,充電電流通過驅動電阻 R g 和驅動電路放電管 Q 4產生一個毛刺電壓(圖 2中 對應 t 2時刻的那條豎線 。若毛刺電壓的幅值超過 了 Q 2的開啟電壓 V th , 半橋的上下管共通。 輕微的 共通不一定導致炸管,但會使 MOS 管發(fā)熱,嚴重 時就會炸管。另外直流母線電壓越高,毛刺越高, 引起炸管的可能性也越高。4 針對 ir2110問題的解決方法為了能使 ir2110安全工作, 防止出現過高的毛 刺電壓, 設計了以下兩種辦法來解決這個問題:(1 采用 RC 或 RCD 吸收緩沖電路 3; (2柵極加負 壓關斷(負壓主要作用在橋臂的下 MOS 管 。下 面就兩種

11、保護措施的原理進行分析,并且用 Saber 軟件進行了原理圖繪制和仿真。4.1 RC或 RCD 吸收緩沖電路首先簡要分析 RC 和 RCD 吸收緩沖電路的工 作原理。 由于同一橋臂的上下管結構相同, 以下管 的 RCD 緩沖電路進行說明。結合圖 2驅動波形分 析,由圖 2的驅動波形可以看出, H 橋上下 MOS 管產生共通的時間點就是在上 MOS 管導通的瞬 間,也就是下 MOS 管的漏極電壓產生的瞬間尖峰 電壓較高時才可能發(fā)生,利用 RC 和 RCD 緩沖電 路有效防止下 MOS 管導通時產生的電壓突變,使 相同的時間內毛刺電壓的峰值下降, 斜率減小, 導 通時間縮短,這樣就能防止 H 橋單

12、臂共通現象的 發(fā)生。 RC 和 RCD 吸收緩沖電路的拓撲如圖 3所示。 4.2 柵極加負壓關斷柵極加負壓關斷 4主要是通過電平平移使毛刺 電壓平移到源極電平以下來實現的。實現下管負壓 關斷的方法是將 ir2110的 COM 端接入負電壓源 (取 -5V 。 由于下 MOS 管在關斷時, 源極電平一直引入 負壓,在瞬間的高毛刺電壓發(fā)生時,導致一定斜率 上升的毛刺電壓只有在其達到最高時刻才可能發(fā)生 非常短的共通, 由于時間極短, MOS 管的電流變化 不會很大,使得上下 MOS 管可以安全且又低功耗 地工作。雙電源負壓關斷的拓撲如圖 4所示。t 1t 2t 3t 464 J Magn Mater

13、 Devices Vol 44 No 6 磁性材料及器件 2013年 11月65圖 3 帶有吸收緩沖電路 ir2110驅動拓撲圖 4 帶有負壓關斷的 ir2110驅動電路拓撲5 Saber軟件仿真結果圖 5為 ir2110不同驅動電路中的仿真,圖 5a 為三個不同電路拓撲上 MOS 管柵源極的電壓波 形,后三個波形分別為不同拓撲下 MOS 管柵源極 的電壓波形,圖 5b 是負壓關斷波形,圖 5c 是 RC 吸收緩沖電路波形,圖 5d 是典型驅動電路波形。 對比下 MOS 管不同電路拓撲驅動波形可知, (1 帶有吸收緩沖和負壓關斷電路的驅動波形明顯優(yōu) 于典型 ir2110電路的驅動波形,后者毛刺

14、電壓較多 且峰值較大, 最大值超過 50V , 存在較大的使用風 險; (2相對于負壓關斷的驅動波形,吸收緩沖電 路的驅動波形毛刺電壓較多且部分峰值遠高于負 壓關斷電路的毛刺電壓峰值,說明負壓關斷的ir2110的驅動電路效果較 RC 吸收緩沖電路的效果 更好。由此,采取負壓關斷電路能夠更好地解決ir2110在使用過程中存在的共通問題,鑒于此,采 用負壓關斷設計了 ir2110的驅動電路。6 實際電路設計柵極產生負壓的電路有單電源和雙電源 (正負 電源 兩種。 由于在逆變電源中加入雙電源電路會 增加電路的復雜性和成本, 在實際使用中采用了單 電源負壓電路,如圖 6所示。U c 、 R c 、 C

15、 5和穩(wěn)壓管 VW3(+5V形成一個 鉗位電路, U c 通過 R c 給電容 C 5充電,而 C 5兩端 的電壓被穩(wěn)壓管 VW3鉗位在 5V 。半橋電路的下MOS 管 VM2導通時, VS3導通, VM2的柵極接 入 20V 電壓,對應的源極為鉗位電壓 5V , 此時 V gs 為 15V ,實現 VM2導通;當下 MOS 管 VM2關斷 時, ir2110內部的 VS3關斷, VS4導通, H 橋下MOS 管 VM2的柵極電位為 0,由于鉗位電路,使66 J Magn Mater Devices Vol 44 No 6(a(b (c(d 圖 6 帶單電源柵極加負壓 ir2110驅動電路拓撲

16、源極電位為 5V ,此時 V gs 為 -5V ,這樣就將不導通產生的正向毛刺電壓的峰值拉低,有效防止了 H 橋單臂的上下 MOS 管的共通,保護了 MOS 管。7 結束語本文就 ir2110形成的 H 橋自舉驅動電路的原 理和存在的問題進行了詳細分析, 針對實際使用 H 橋同一橋臂上下 MOS 管的共通現象,提出了兩種 有效的解決方案。 并利用 Saber 電源軟件進行分析, 確定了最佳方案。 在實際設計過程中, 考慮到雙電 源帶來的電路復雜性和高成本, 又利用源極鉗位電路進一步改進了電源的驅動結構,最終完成了實 用、高效的 H 橋逆變電源的驅動電路設計。ir2110驅動芯片的電路設計簡單,

17、成本較低, 有著廣泛的運用。 但在實際設計時, 應該根據具體 的實驗現象和實驗條件確定合理的設計方案, 以達 到安全、合理和實用的目的。參考文獻:1 楚斌 . IR2110功率驅動集成芯片應用 J. 電子工程師 ,2004, 30(10: 33-35.2 王曉峰 . 基于單片機控制的逆變電源研究 D. 成都 :電子科技大學 , 2011.3 Araham I. Pressman(王志強 , 等譯 . 開關電源設計M. 北京 : 電子工業(yè)出版社 , 2005: 283-291.4 張純江,趙清林,張金泉 . 帶有 “ 負偏壓 ” 的 IR2110驅動器 J. 電力電子技術 , 2000, 1(2

18、: 49-50.作者簡介:魏巍(1986- ,男,山西朔州市人,碩士研究生,研究方向為車載正弦逆變電源。(上接 62頁成本低廉, 易于檢修, 但是在充磁過程仍然需要操 作者通過肉眼電壓示數進行放電控制, 此外快速保 護電路設計不完善。 在后續(xù)的產品換代中, 在保持 本設計的基礎上會加入 AD 采集功能,實時監(jiān)控電 壓值,并利用單片機實現一些必要的控制,比如, 代替操作人員用肉眼進行觀察, 也可以進行預充放 電等功能。 當然在企業(yè)擴大生產規(guī)模后, 可以使用PLC ,現場總線等實現微機監(jiān)控和管理,實現生產 過程和充磁管理的自動化。 參考文獻:1 劉亞丕 . IM-24030-PC-C型脈沖充磁機簡

19、介 J. 磁性材 料及器件 , 2000, 34(4: 48-50.2 Gemperle R. The domain structure and magnetizingcurves of thin single-crystal iron platelets J. Czechoslovak Journal of Physics, 1971, 21(1: 89-96.3 Muzhitskii V F, Bakunov A S, Kudryavtsev D A, et al.UNM-300/2000 magnetizing device and its use for magnetic-powder testing together with an MF-23IM magnetic meter J. Kulagin. Russian Journal of Non-destructive Testing, 2003, 39(10: 741-747.4 Matija Sokola, Slobodan N, Vukosavic. A method formagnetizing curve identification in rotor flux oriented