0  引言

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，dv／dt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(fù)雜。

凡是隔離驅(qū)動方式，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(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(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，高端工作電壓可達(dá)500 V，dV／dt=±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10～20 V，邏輯電源電壓范圍(腳9)為5～15 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，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(dǎo)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VD1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3～5 V)因泄漏電流引起電壓降。那么，此時對應(yīng)的自舉電容可用下式表示：

例如IRF2807充分導(dǎo)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：

這樣C1約為0.1 μF，設(shè)計(jì)中即可選取C1為0.22μF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)通時間ton(max)確定

當(dāng)最長的導(dǎo)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時有15μA的漏電流(IgQs)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=0.77μC。則過剩電荷△Q=0.77-0.16=0.61 μC，△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 MΩ，即可求出t(即ton(max)為：



2.3懸浮驅(qū)動的最窄導(dǎo)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(dǎo)通時間應(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)通時漏電流所失去的電荷量。因此從最窄導(dǎo)通時間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，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

自舉二極管是一個重要的自舉器件。它應(yīng)在高端器件開通時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)時間trr要小于等于100 ns，二極管所承受的電流IF=Qbsf。

3 IR2110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(Vc1≈Vcc)。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。此時，VC1可等效為一個電壓源。而當(dāng)HIN為低電平時，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(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，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，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，電機(jī)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(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，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，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，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，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。

3.2防直通導(dǎo)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(bǔ)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(dāng)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(shè)置導(dǎo)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(shí)際使用中，MOSEFT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(dǎo)通延時電路及其波形。

導(dǎo)通延時也可以通過RC時間常數(shù)來設(shè)置。對GTR，可按0.2μs／A來設(shè)置；而對MOSFET，則可按0.1～0.2μs來設(shè)計(jì)，且與電流無關(guān)；IGBT可按2～5μs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)門／2=1／10=0.1 ms，此時若I為100 A，則△t=0.2×100=20μs。這樣PWM調(diào)制分辨率的最大可能性為：



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(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)動電源可同時驅(qū)動同一橋臂的上、下兩個開關(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，同時兩通道還設(shè)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(hù)端SD，在SD輸入高電平時，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€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)時間不可外調(diào)；電路工作在100％占空比信號輸入時，也需要外接電荷泵電路來維持自舉電容的足夠能量。不過這些不足在實(shí)際應(yīng)用中都可以通過本文所述的拓展應(yīng)用電路來進(jìn)行完善和補(bǔ)充。

本文作者已將上述擴(kuò)展應(yīng)用電路應(yīng)用于仿美國APEX公司SAxx系列產(chǎn)品的應(yīng)用研制中，而且獲得了較好的效果，研制的產(chǎn)品已通過全部的鑒定檢驗(yàn)，并通過了國防科工委組織的鑒定。該成果可在航天和兵器系統(tǒng)中，取代APEX公司的同類產(chǎn)品，而且系統(tǒng)工作正常，用戶比較滿意。