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[導(dǎo)讀]IR2304是美國(guó)IR公司生產(chǎn)的新一代半橋驅(qū)動(dòng)集成芯片,該芯片內(nèi)部集成了互相獨(dú)立的控制驅(qū)動(dòng)輸出電路,可直接驅(qū)動(dòng)兩個(gè)中功率半導(dǎo)體器件如MOSFET或IGBT,動(dòng)態(tài)響應(yīng)快,驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng),工作頻率高,且具有多種保護(hù)功能。

   摘要:IR2304是美國(guó)IR公司生產(chǎn)的新一代半橋驅(qū)動(dòng)集成芯片,該芯片內(nèi)部集成了互相獨(dú)立的控制驅(qū)動(dòng)輸出電路,可直接驅(qū)動(dòng)兩個(gè)中功率半導(dǎo)體器件如MOSFET或IGBT,動(dòng)態(tài)響應(yīng)快,驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng),工作頻率高,且具有多種保護(hù)功能。文中介紹了IR2304的功能特點(diǎn)、工作原理和典型應(yīng)用電路。

    關(guān)鍵詞:半橋驅(qū)動(dòng)集成電路;IR2304;三相橋式逆變器

1 IR2304的功能特點(diǎn)

IR2304是國(guó)際整流器公司(IR)新推出的多功能600V高端及低端驅(qū)動(dòng)集成電路,這種適于功率MOSFET、IGBT驅(qū)動(dòng)的自舉式集成電路在照明鎮(zhèn)流器、電源及電機(jī)等功率驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域中將獲得廣泛的應(yīng)用。IR2304的性能特點(diǎn)如下:

(1)芯片體積?。ǎ模桑校福?,集成度高(可同時(shí)驅(qū)動(dòng)同一橋臂的上、下兩只開(kāi)關(guān)器件);

(2)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。典型通斷延遲時(shí)間220/220ns、內(nèi)部死區(qū)時(shí)間100ns、匹配延遲時(shí)間50ns;

(3)驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng),可驅(qū)動(dòng)600V主電路系統(tǒng)。具有60mA/130mA輸出驅(qū)動(dòng)能力,柵極驅(qū)動(dòng)輸入電壓寬達(dá)10~20V;

(4)工作頻率高??芍С郑保埃埃耄龋蛞韵碌母哳l開(kāi)關(guān),可與IRF830或IRFBC30等較小巧的MOSFET或IGBT配合使用;

(5)輸入輸出同相設(shè)計(jì)。提供高端和低端獨(dú)立控制驅(qū)動(dòng)輸出,可通過(guò)兩個(gè)兼容3.3V、5V和15V輸入邏輯的獨(dú)立CMOS或LSTTL輸入來(lái)控制,為設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大的靈活性;

(6)低功耗設(shè)計(jì),堅(jiān)固耐用且防噪效能高。IR2304采用高壓集成電路技術(shù),整合設(shè)計(jì)既降低成本和簡(jiǎn)化電路,又降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)和節(jié)省電路板的空間。相比于其它分立式、脈沖變壓器及光耦解決方案,IR2304更能節(jié)省組件數(shù)量和空間,并提高可靠性;

(7)具有電源欠壓保護(hù)和關(guān)斷邏輯。IR2304有兩個(gè)非倒相輸入及交叉?zhèn)鲗?dǎo)保護(hù)功能,整合了專為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的半橋MOSFET或IGBT電路而設(shè)的保護(hù)功能。當(dāng)電源電壓降至4.7V以下時(shí),欠壓鎖定 ?UVLO? 功能會(huì)立即關(guān)掉兩個(gè)輸出,以防止穿通電流及器件故障。當(dāng)電源電壓大于5V時(shí)則會(huì)釋放輸出 ?綜合滯后一般為0.3V?。過(guò)壓(HVIC)及防閉鎖CMOS技術(shù)使IR2304非常堅(jiān)固耐用。

另外,IR2304還配備有大脈沖電流緩沖級(jí),可將交叉?zhèn)鲗?dǎo)減至最低;同時(shí)采用具有下拉功能的施密特(Schmitt) 觸發(fā)式輸入設(shè)計(jì),可有效隔絕噪音,以防止器件意外開(kāi)通。

IR2304采用8腳DIP或SOIC封裝,其引腳排列如圖1所示。該芯片與其它同類產(chǎn)品的特性比較見(jiàn)表1,從表1可看出IR2304比同類其它產(chǎn)品特性更優(yōu)越,集成度更高。

    IR2304各引腳的功能及推薦工作參數(shù)如表2所列。

表1 IR2106/2301/2108/2109/2302/2304特性比較

同類產(chǎn)品 輸入邏輯 保護(hù)邏輯 死區(qū)時(shí)間 接地引腳
2106/2301 HIN/LIN 沒(méi)有 沒(méi)有 COM
21064 VSS/COM
2108 HIN/LIN 內(nèi)部540ns COM
21084 可編程0.54~5μs VSS/COM
2109/2302 IN/SD 540ns COM
21094 可編程0.54~5μs VSS/COM
2304 HIN/LIN 內(nèi)部100ns COM

表2 IR2304推薦的工作參數(shù)

符 號(hào) 名    稱 最小值 最大值 單位
VIN 高低端邏輯輸入(HIN、LIN) COM Vcc V
Vcc 邏輯電源與低端電源電壓 10 20
LO 低端驅(qū)動(dòng)輸出 COM Vcc
Vs 高端浮偏電源參考電壓 注1 600
HO 高端驅(qū)動(dòng)輸出電壓 Vs VB
VB 高端浮置電源電壓 Vs+10 Vs+20
TA 環(huán)境溫度 -40 125

    注:1:邏輯運(yùn)行時(shí)為COM-5到COM+600V,邏輯狀態(tài)保持為COM-5V到COM-Vbs

2?。桑遥玻常埃吹墓ぷ髟?/B>

IR2304的典型接線如圖2所示,圖中VCC為10~25V功率管門極驅(qū)動(dòng)電源,可用TTL或CMOS邏輯信號(hào)作為輸入,因此VCC可用一個(gè)典型值為+15V的電源。C2為自舉電容,當(dāng)VT1關(guān)斷、VT2開(kāi)通時(shí),VCC經(jīng)VD、C2、負(fù)載、VT2給C2充電,以確保VT2關(guān)斷、VT1開(kāi)通時(shí),VT1管的柵極靠C2上足夠的儲(chǔ)能來(lái)驅(qū)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)自舉式驅(qū)動(dòng)。若負(fù)載阻抗較大,C2經(jīng)負(fù)載降壓充電較慢,使得當(dāng)VT2關(guān)斷、VT1開(kāi)通時(shí)C2上的電壓仍不能充電至自舉電壓8.2V以上時(shí),輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)會(huì)因欠壓被片內(nèi)邏輯封鎖,VT1就無(wú)法正常工作。每個(gè)周期VT1開(kāi)關(guān)一次,C2就通過(guò)開(kāi)關(guān)VT2充電一次。因此,C2的容量選擇應(yīng)考慮如下幾點(diǎn):

(1)C2應(yīng)為高穩(wěn)定、低串聯(lián)電感、高頻率特性的優(yōu)質(zhì)電容,容量為0.1~1μF。

(2)盡量使自舉上電回路不經(jīng)大阻抗負(fù)載,否則應(yīng)為C2充電提供快速充電通路。

(3)PWM開(kāi)關(guān)頻率較高時(shí),C2應(yīng)選小。當(dāng)PWM工作頻率較低時(shí),若占空比較高,則VT1開(kāi)通時(shí)間較長(zhǎng),VT2開(kāi)通時(shí)間較短,因此C2應(yīng)選小;若占空比較低,VT1導(dǎo)通脈寬較窄,則VT2導(dǎo)通脈寬較寬,自舉電壓容易滿足。否則,在有限時(shí)間內(nèi)無(wú)法達(dá)到自舉電壓,從而造成欠壓保護(hù)電路工作。因此,C2的選擇應(yīng)綜合考慮PWM變化的各種情況,最好在調(diào)試時(shí)監(jiān)測(cè)HO、VS腳的波形。

3 三相橋式逆變電路

由IR2304組成的三相橋式逆變器的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。對(duì)于由六個(gè)功率元件構(gòu)成的三相橋式逆變器來(lái)說(shuō),采用三片IR2304驅(qū)動(dòng)三個(gè)橋臂是中小型功率變換的理想選擇。

該逆變電路中的主電路可將直流電壓(+DC)逆變?yōu)槿嘟涣鬏敵鲭妷?U、V、W?。該直流電壓(+DC)來(lái)自三相橋式整流電路,逆變電路功率元件應(yīng)選用耐壓為1000V的IGBT元件。

逆變器中的驅(qū)動(dòng)電路使用的就是1000V的IR2304。由于三相逆變器每個(gè)周期總有一個(gè)上下管導(dǎo)通,故上管自舉電容容易充電,三個(gè)上管自舉電路可有序工作。但IR2304使用不當(dāng),尤其是自舉電容選擇不好,易導(dǎo)致芯片損壞或不能正常工作。電容C1、C2和C3分別為三路高端輸出的供電電源的自舉電容。單電源+15V供電電壓經(jīng)二極管隔離后又分別作為其三路高端驅(qū)動(dòng)輸出的供電電源,這樣一來(lái)大大減小了控制變壓器體積并減少了電源數(shù)目,從而降低了產(chǎn)品成本,提高了系統(tǒng)可靠性。

通過(guò)電路中的PWM控制器可為逆變器提供六路控制信號(hào)。一些模擬電路或數(shù)字電路的PWM的產(chǎn)生都通過(guò)專用芯片來(lái)實(shí)現(xiàn),如三相PWM發(fā)生器SA8282。為了提高PWM的輸出質(zhì)量和可靠性,以高性能單片機(jī)和數(shù)字信號(hào)處理(DSP)等為控制核心來(lái)構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)。如德州儀器TMS320LF240xDSP內(nèi)部自帶的事件管理器模塊專門用來(lái)產(chǎn)生PWM。它們大部分是在16位單片機(jī)或DSP的基礎(chǔ)上增加部分特殊的控制功能來(lái)構(gòu)成專用的集成電路,應(yīng)用在各種開(kāi)關(guān)電源、交直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中。以TMS320LF240xDSP為核心的典型數(shù)字控制電機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)原理框圖如圖4所示。實(shí)驗(yàn)和調(diào)試結(jié)果表明,利用TMS320LF2407DSP事件管理器模塊的波形發(fā)生器輸出的方波可簡(jiǎn)化系統(tǒng)的軟硬件開(kāi)發(fā),同時(shí)其PWM波形的質(zhì)量和可靠性也很好。

4 注意事項(xiàng)

用IR2304設(shè)計(jì)逆變器時(shí),應(yīng)注意以下幾點(diǎn):

(1)當(dāng)自舉電壓不容易滿足要求時(shí),可以取掉VD,直接給VB、VS加另一個(gè)10~25V隔離電源,但這一作法沒(méi)有充分利用IR2304應(yīng)有的資源和特點(diǎn)。對(duì)于全橋型逆變器,無(wú)需經(jīng)過(guò)負(fù)載充電,這種形式的自舉工作僅是C2選擇問(wèn)題。

    (2)若使用自舉技術(shù)產(chǎn)生VB時(shí),則接于引腳Vcc與VB間的二極管VD應(yīng)為超快恢復(fù)二極管,其反向耐壓要大于600V。

(3)芯片中的輸入控制邏輯電路還為同一橋臂的高端和低端提供了死區(qū)時(shí)間,以避免同一橋臂上被驅(qū)動(dòng)功率元件在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換過(guò)渡期間同時(shí)導(dǎo)通。

(4)驅(qū)動(dòng)電路輸出串接電阻阻值一般應(yīng)在 10~33Ω,而對(duì)于小功率器件,串接電阻應(yīng)該增加到30~50Ω。

(5)驅(qū)動(dòng)電路與被驅(qū)動(dòng)功率器件的距離應(yīng)盡可能短,連接線應(yīng)盡可能使用雙絞線或同軸電纜屏蔽線。

(6)可使用高頻高速光耦合器件,如6N136、4N25等將控制部分(圖3中的PWM控制器)與由IR2304構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路隔離,使控制電路的邏輯地和驅(qū)動(dòng)電路的邏輯地相互獨(dú)立,以此來(lái)增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。

(7)在具體應(yīng)用電路設(shè)計(jì)中可根據(jù)實(shí)際需要靈活變更外圍電路,以滿足使用需求。

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