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IR21367在無刷直流電機控制中的應用
電子元器件應用
在無刷直流電機的全橋式驅動電路中，逆變橋主電路有6 個功率開關器件(功率MOSFET或IGBT)，若每個開關器件都用一個單獨的驅動電路來驅動，則需6個驅動電路，這樣至少要配備4個相互獨立的直流電源來為其供電，從而使系統(tǒng)的硬件結構變得復雜，可靠性下降。而IR2136系列是功率MOSFET和IGBT專用柵極驅動集成電路，其內部采用自舉技術，可使功率驅動電路僅需輸入一個直流電源。IR2136具有完善的保護功能，可提高系統(tǒng)的集成度和可靠性，并可大大縮小線路板的尺寸。IR21367集成電路的性能完全可以超過光耦合器或變壓器柵極驅動方式，它的死區(qū)時間可低至250ns，典型接通/關斷時間為250/180ns，可滿足高速無刷直流電機高頻工作驅動的要求。作者通過反復實驗，對IR21367的外圍電路關鍵元器件的選取提出了一些個人心得。
1 IR21367的特點功能
IR21367的主要特點如下：
采用自舉浮動設計，工作電壓達到+600V；
輸出電流能力為120mA/250mA (正向/反向)；
具有暫態(tài)負電壓耐受能力�？沙惺芨哌_50V/ns的dv/dt；
柵極驅動電源電壓為： 12~20V；
可欠電壓保護閉鎖所有通道；
過流保護功能可關閉全部六個輸出驅動；
有三個獨立的半橋驅動；
所有通道均可延時匹配；
可防止交叉導通邏輯；
與3.3V的COMS或LSTTL輸出邏輯兼容；
采用較低di/dt的柵極驅動，有助于噪聲抑制；
可通過外部設置自動清除故障。
IR21367的引腳功能說明如表1所列。圖1所示是IR21367的內部結構圖。
表1 IR21367的引腳功能說明
圖1 IR21367的內部結構圖
2 IR21367應用電路設計
當控制系統(tǒng)選用全橋式無刷直流電機驅動電路時，其導通方式為兩兩導通方式，即每一時刻電機有兩相導通，第三相懸空，各相導通順序與時間由霍爾位置傳感器獲得的轉子位置信號決定。全橋式逆變橋由6個功率MOSFET (IRF3710)組成，6路驅動信號由TMS320F2812的事件管理器EVA 產生，經過光耦6N137 隔離輸出到IR21367。本文選用的實驗是選用常州萬泰公司的42BLF02，該電機的磁極對數為4對，額定電壓為24V，額定轉速為4000RPM。調速方式采用PWM調壓調速，PWM的調制方式為PWM_ON，即上橋臂開關管進行PWM調制，下橋臂開關管保持恒通，初設PWM調制的開關頻率為20kHz。圖2所示是采用IR21367驅動的直流電機控制系統(tǒng)的應用電路。
圖2 基于IR21367的電機驅動控制電路圖
IR21367內部的三路驅動高側功率MOS器件的輸出驅動電源可通過自舉技術獲得，所以，自舉電容的反向耐壓必須大于驅動主電路的母線電壓。同時，為了防止自舉電容兩端電壓放電，二極管應選用高頻快速恢復二極管，自舉電容在開關頻率大于5kHz時，電容值要大于0.1μF，所以，此處C3選用50V耐壓、22μF的帶極性電容。型號為1N5819的肖特基二極管可以滿足要求。當低側MOS器件開通時，可把高側MOS器件的源極電壓拉到零，此時，電路經過二極管對電容充電，R4為限流電阻(取510歐)。C1為低側驅動電源的支撐電容，因為同時應為三個橋臂的低側端驅動電源提供能量，所以，C1的取值大點較好，此處取100μF的極性電容。
由于IR21367的六個驅動輸出阻抗較低，直接應用它來驅動功率MOS器件時，功率器件的快速開通和關斷有可能造成MOS器件漏源極間的電壓震蕩，這樣一則會引起射頻干擾； 二則有可能造成功率器件遭受過高的du/dt而擊穿。因此，通常可在柵極串聯一個15～50Ω的無感電阻，此處柵極電阻R5、R6選取33Ω。
IR21367的ITRIP為過流關斷信號輸入端。該引腳有效時，可關斷所有邏輯輸出，并使FAULT和RCIN變?yōu)橛行У碗娖健AULT為過流或欠壓故障輸出，該信號接發(fā)光二極管可進行故障報警。
RCIN為清除FAULT信號端，當此引腳電壓升高到8V時，FAULT引腳恢復高電平，故此引腳可接RC阻容網絡，以設定FAULT的有效維持時間。過流信號輸入(ITRIP輸入端) 的閥值電壓最小值為3.85V、典型值4.30V、最大值4.75V，過流信號可由兩個功率采樣并聯電阻(可以減小電機端電壓的壓降損失) 上的電壓并經過運放OP07CP得到，運放除了實現放大采樣信號的作用外，還可使過流信號輸入端與主電路母線端達到一定的隔離。
阻容網絡R1、C2分別取10kΩ和0.1μF，τ=10k×0.1μF=1ms； 運放電阻R9、R10可分別取51kΩ、3.3kΩ，采樣功率電阻R11、R12都取0.05kΩ/3W的金屬膜電阻，據此所得到的過流閥值為10.46A。C5用來濾除母線上的高頻干擾信號，設計時可選取1nF的獨石電容。
將故障指示端FAULT信號經光耦6N137接入TMS320F2812芯片的驅動保護輸入引腳，可在電機驅動或逆變橋不正常時及時關斷輸入信號以保護IR21367器件。
3 實驗結果分析
在完成上述控制系統(tǒng)的硬件電路設計后，即可進行無刷直流電機的空載實驗，圖3所示是電機穩(wěn)定運行時的柵極驅動波形。
(a) 高側T1的柵極驅動波形
(b) 低側T2的柵極驅動波形
圖3 電機穩(wěn)定運行時的電機及驅動波形圖
圖3中，由于高側MOS器件T1的柵極驅動電源是由自舉電容提供的，而只有低側MOS器件T2開通時，電源才經電阻R4和二極管1N5819向自舉電容C3充電，所以，在T2關斷期間，C3上的能量應該能保證維持T1的導通。兩兩導通的無刷直流電機的運行模式是在一個周期每個開關管導通120°電角度，同一橋臂的上下兩個開關管的開通時刻互差60°電角度而不存在死區(qū)，因此，在T2導通的120°區(qū)間，C3上獲得的能量要能滿足T1導通120°。為了確保無刷直流電機在低速時的運行穩(wěn)定，C3取值的大小很關鍵，根據本系統(tǒng)要求，C3取22μF可滿足本設計的要求。
從IR21367的內部結構可以看出，C1是三個低側MOS器件柵極驅動電源的儲能電容，因此，如果把它看做濾波電容而取值過小，就會出現驅動電壓達不到要求或者驅動波形缺失，這在實驗過程中，也得到了相同的結論。
4 結束語
IR21367是功率MOSFET和IGBT的專用驅動電路，隨著無刷直流電機運用的越來越廣泛，用其作為小功率無刷直流電機控制系統(tǒng)的MOSFET驅動電路，可以得到很好的驅動效果，從而滿足其高速運行的需求。另外，其完善的保護功能、高集成度和簡單結構，也會使整個系統(tǒng)的性能價格比大大提高。
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