高壓懸浮驅(qū)動電路IR2110的特點及拓展應用技術
加入技術交流群
自舉二極管是一個重要的自舉器件。它應在高端器件開通時能阻斷直流干線上的高壓，并且應當是快恢復二極管，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頻率之積。為了減少電荷損失，應選擇反向漏電流小的快恢復二極管。
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的擴展應用
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補充能量，并如此循環(huán)反復。
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，且自舉電容反復充、放電時，才能起到正常的自舉作用，而當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，則當電機負載實際工作在占空比為1，負載兩端電壓為零時，電機將停止工作；同時也會給功率開關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，在工作中應采取下面兩種技術措施。
(1)輸入幅度鑒別電路的應用
為了克服上述不足，可在工作中設計輸入幅度鑒別電路，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，即可保證電機在線性區(qū)外也能正常轉(zhuǎn)動，同時也保證了輸出負載電流不會產(chǎn)生大的突變。
(2)電荷泵電路
當電路輸入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信號后，由于帶載情況下，晶體管的關斷時間通常比開通時間長，這樣，當下橋臂晶體管未及時關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，從而造成功率開關損壞。所以設置導通延時及死區(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)，而實際使用中，MOSEFT管的關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給出了一種導通延時電路及其波形。
導通延時也可以通過RC時間常數(shù)來設置。對GTR，可按0.2μs／A來設置；而對MOSFET，則可按0.1～0.2μs來設計，且與電流無關；IGBT可按2～5μs來設計。假如GTR的f為5 kHz旦雙極性工作，調(diào)寬區(qū)域為T／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的電機系統(tǒng)，GTR的開關頻率必須低于5 kHz。例如，2 kHz以下，此時的分辨率可達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、下兩個開關器件，驅(qū)動電壓高達500 V，工作頻率為500 kHz，并具有電源欠壓保護關斷邏輯。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)點給實際系統(tǒng)設計帶來了極大方便，特別是自舉懸浮驅(qū)動電源大大簡化了驅(qū)動電源設計，因為只用一路電源即可完成上下橋臂兩個功率開關器件的驅(qū)動。但與其它驅(qū)動集成電路相比，IR2110的保護功能略顯不足，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。不過這些不足在實際應用中都可以通過本文所述的拓展應用電路來進行完善和補充。
本文作者已將上述擴展應用電路應用于仿美國APEX公司SAxx系列產(chǎn)品的應用研制中，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，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。
評論