IR2304半橋驅(qū)動(dòng)集成電路的功能原理及應(yīng)用

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

表2 IR2304推薦的工作參數(shù)

２　ＩＲ２３０４的工作原理

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??；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。