驅(qū)動電路IR2110的特性及應(yīng)用

1、驅(qū)動電路ir2110的特性及應(yīng)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(diǎn)，但同時(shí)存在共模抑制能力差，傳輸速度慢的缺點(diǎn)?？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(yīng)速度快(脈沖的前沿和后沿)，原副邊的絕緣強(qiáng)度高，dvdt共模干擾抑制能力強(qiáng)等特點(diǎn)。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(shí)信號的最小寬度也要受磁化電流的限制。同時(shí)脈沖變壓器體積也大，而且笨重，工藝復(fù)雜。凡是隔離驅(qū)動方式，每路驅(qū)動

2、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(fù)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exb840841、exb850851、m57959lal、m57962lal、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(diǎn)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(diǎn)，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(diǎn)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(dú)立的低端和高端輸入通道。其懸浮電源采用自舉電路

3、，高端工作電壓可達(dá)500 v，dvdt=±50 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±5 v的偏移量；此外，該器件的工作頻率可達(dá)500 khz，而且開通、關(guān)斷延遲小(分別為120 ns和94 ns)，圖騰柱輸出峰值電流為2 a。ir2110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(hù)三個(gè)部分組成。ir2110可以為裝置的設(shè)計(jì)帶來許多方便，尤其是高端懸浮自舉電源

4、的成功設(shè)計(jì)，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(yīng)用時(shí)需要嚴(yán)格挑的元器件，應(yīng)根據(jù)一定的規(guī)則進(jìn)行計(jì)算分析。在電路實(shí)驗(yàn)時(shí)，還要進(jìn)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(shè)計(jì)igbt和pm(power mosfet)具有相似的門極特性，它們在開通時(shí)都需要在極短的時(shí)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(dǎo)通所需要的電壓(10 v，高壓側(cè)鎖定電壓為8.78.3 v)要高，而且在自舉電容充電路徑上有1.5 v的壓降(包括vd1

5、的正向壓降)，同時(shí)假定有12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(shí)對應(yīng)的自舉電容可用下式表示：例如irf2807充分導(dǎo)通時(shí)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：這樣c1約為0.1 f，設(shè)計(jì)中即可選取c1為0.22f或更大，且耐壓大于35 v的獨(dú)石電容。2.2懸浮驅(qū)動的最寬導(dǎo)通時(shí)間ton(max)確定當(dāng)最長的導(dǎo)通時(shí)間結(jié)束時(shí)，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moseft，因?yàn)榻^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(shí)有15a的漏電流(igq

6、s)從c1中抽取，若仍以本文的自舉電容設(shè)計(jì)的參數(shù)為例，qg=160 nc，u=vcc-10-1.5=3.5 v，qavail=uc=3.5x0.22=0.77c。則過剩電荷q=0.77-0.16=0.61 c，uc=qc=0.610.22=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 m，即可求出t(即ton(max)為：2.3懸浮驅(qū)動的最窄導(dǎo)通時(shí)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(dǎo)通時(shí)間應(yīng)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(dǎo)通時(shí)漏電流所失去的電荷量。因此從最窄

7、導(dǎo)通時(shí)間ton(min)考慮，自舉電容應(yīng)足夠小。實(shí)際上，在選擇自舉電容大小時(shí)，應(yīng)當(dāng)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(gè)重要的自舉器件。它應(yīng)在高端器件開通時(shí)能阻斷直流干線上的高壓，并且應(yīng)當(dāng)是快恢復(fù)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(yīng)選擇反向漏電流小的快恢復(fù)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(fù)時(shí)間trr要小于等于100 ns，二極管所承受的電流if=qbsf。3 i

8、r2110的擴(kuò)展應(yīng)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(shí)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。此時(shí)，vc1可等效為一個(gè)電壓源。而當(dāng)hin為低電平時(shí)，vm2開通，vm1斷開，s1柵電荷經(jīng)rg1、vm2迅速釋放，使s1關(guān)斷。然后經(jīng)短暫的死區(qū)時(shí)間(td)之后，lin為高電平，s2開通，vcc經(jīng)vd1，s2給c1充

9、電，并迅速為c1補(bǔ)充能量，并如此循環(huán)反復(fù)。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(fù)充、放電時(shí)，才能起到正常的自舉作用，而當(dāng)ir2110的輸人信號是直流電平信號時(shí)，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(dāng)電機(jī)負(fù)載實(shí)際工作在占空比為1，負(fù)載兩端電壓為零時(shí)，電機(jī)將停止工作；同時(shí)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(yīng)采取下面兩種技術(shù)措施。(1)輸入幅度鑒別電路的應(yīng)用為了克服上述不足，可在工作中設(shè)計(jì)輸入幅度鑒別電路，其電路如

10、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(dāng)輸入信號在線性區(qū)外時(shí)，電路也可以輸出固定的占空比信號，這樣，即可保證電機(jī)在線性區(qū)外也能正常轉(zhuǎn)動，同時(shí)也保證了輸出負(fù)載電流不會產(chǎn)生大的突變。(2)電荷泵電路當(dāng)電路輸入100占空比信號時(shí)，其核心振蕩電路cd4093將產(chǎn)生一定頻率的方波信號。當(dāng)此方波信號為低電平時(shí)，功率電源+vs通過d5給儲能電容c3充電；而當(dāng)此方波信號為高電平時(shí)，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(shí)，由h橋輸出100的占空比信號，同時(shí)也保證輸出電流的連續(xù)性。圖4所示為電荷泵電路圖。3.2防直通導(dǎo)通延時(shí)電路

11、對h橋驅(qū)動電路上下橋臂功率晶體管加互補(bǔ)信號后，由于帶載情況下，晶體管的關(guān)斷時(shí)間通常比開通時(shí)間長，這樣，當(dāng)下橋臂晶體管未及時(shí)關(guān)斷而上橋臂搶先開通時(shí)，就會出現(xiàn)所謂“橋臂直通”故障。這樣會使橋臂直通時(shí)電流迅速變大，從而造成功率開關(guān)損壞。所以設(shè)置導(dǎo)通延時(shí)及死區(qū)時(shí)間必不可少。ir2110具有一定的死區(qū)時(shí)間，其大小為10 ns且不可外調(diào)，而實(shí)際使用中，moseft管的關(guān)斷時(shí)間比開通時(shí)間有時(shí)還要比10ns大，此時(shí)就需要外加延時(shí)電路來加大死區(qū)時(shí)間，以防止電路直通，圖5給出了一種導(dǎo)通延時(shí)電路及其波形。導(dǎo)通延時(shí)也可以通過rc時(shí)間常數(shù)來設(shè)置。對gtr，可按0.2sa來設(shè)置；而對mosfet，則可按0.10.2s來設(shè)

12、計(jì)，且與電流無關(guān)；igbt可按25s來設(shè)計(jì)。假如gtr的f為5 khz旦雙極性工作，調(diào)寬區(qū)域?yàn)閠2=110=0.1 ms，此時(shí)若i為100 a，則t=0.2×100=20s。這樣pwm調(diào)制分辨率的最大可能性為：這說明死區(qū)時(shí)間占據(jù)了調(diào)制周期的15，顯然是不可行的。所以，對于100 a的電機(jī)系統(tǒng)，gtr的開關(guān)頻率必須低于5 khz。例如，2 khz以下，此時(shí)的分辨率可達(dá)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(shí)驅(qū)動同一橋臂的上、下兩個(gè)開關(guān)器件，驅(qū)動電壓高達(dá)500 v，工作頻率為500 khz，并具有電源欠壓保護(hù)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(shí)兩通道還設(shè)有低壓延時(shí)封鎖(50ns)。此外，芯片還有一個(gè)封鎖兩路輸出的保護(hù)端sd，在sd輸入高電平時(shí)，兩路輸出均被封鎖。ir2110的這些優(yōu)點(diǎn)給實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來了極大方便，特別是自舉懸浮驅(qū)動電源大大簡化了驅(qū)動電源設(shè)計(jì)，因?yàn)橹挥靡宦冯娫醇纯赏瓿缮舷聵虮蹆蓚€(gè)功率開關(guān)器件的驅(qū)動。但與其它驅(qū)動集成電路相比，ir2110的保護(hù)功能略顯不足，死區(qū)時(shí)間不可外調(diào)；電路工作