高壓懸浮驅(qū)動(dòng)器IR2110的原理和擴(kuò)展應(yīng)用

吳勝華，張成勝，鐘炎平，吳保芳

(空軍雷達(dá)學(xué)院，湖北 武漢430019）

摘 要 ： 介 紹 了 IR2110的 內(nèi) 部 結(jié) 構(gòu) 和 特 點(diǎn) ， 高 壓 側(cè) 懸 浮 驅(qū) 動(dòng) 的 原 理 和 自 舉 元 件 的 設(shè) 計(jì) 。 針 對(duì) IR2110的 不 足 提 出 了 幾 種 擴(kuò) 展 應(yīng) 用 的 方 案 ， 并 給 出 了 應(yīng) 用 實(shí) 例 。
關(guān) 鍵 詞 ： 懸 浮 驅(qū) 動(dòng) ； 柵 電 荷 ； 自 舉 ； 絕 緣 門 極

1 引 言
在 功 率 變 換 裝 置 中 ， 根 據(jù) 主 電 路 的 結(jié) 構(gòu) ， 其 功 率 開 關(guān) 器 件 一 般 采 用 直 接 驅(qū) 動(dòng) 和 隔 離 驅(qū) 動(dòng) 兩 種 方 式 。 采 用 隔 離 驅(qū) 動(dòng) 方 式 時(shí) 需 要 將 多 路 驅(qū) 動(dòng) 電 路 、 控 制 電 路 、 主 電 路 互 相 隔 離 ， 以 免 引 起 災(zāi) 難 性 的 后 果 。 隔 離 驅(qū) 動(dòng) 可 分 為 電 磁 隔 離 和 光 電 隔 離 兩 種 方 式 。
光 電 隔 離 具 有 體 積 小 ， 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 等 優(yōu) 點(diǎn) ， 但 存 在 共 模 抑 制 能 力 差 ， 傳 輸 速 度 慢 的 缺 點(diǎn) 。 快 速 光 耦 的 速 度 也 僅 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) 。 但 信 號(hào) 的 大 傳 輸 寬 度 受 磁 飽 和 特 性 的 限 制 ， 因 而 信 號(hào) 的 頂 部 不 易 傳 輸 。 而 且 大 占 空 比 被 限 制 在 50％ 。 而 且 信 號(hào) 的 小 寬 度 又 受 磁 化 電 流 所 限 。 脈 沖 變 壓 器 體 積 大 ， 笨 重 ， 加 工 復(fù) 雜 。
凡 是 隔 離 驅(qū) 動(dòng) 方 式 ， 每 路 驅(qū) 動(dòng) 都 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 ， 增 加 了 電 路 的 復(fù) 雜 性 。 隨 著 驅(qū) 動(dòng) 技 術(shù) 的 不 斷 成 熟 ， 已 有 多 種 集 成 厚 膜 驅(qū) 動(dòng) 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 ， 仍 受 上 述 缺 點(diǎn) 的 限 制 。
美 國(guó) IR公 司 生 產(chǎn) 的 IR2110驅(qū) 動(dòng) 器 。 它 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(dòng) 器 件 的 首 選 品 種 。
2 IR2110內(nèi) 部 結(jié) 構(gòu) 和 特 點(diǎn)
IR2110采 用 HVIC和 閂 鎖 抗 干 擾 CMOS制 造 工 藝 ， DIP14腳 封 裝 。 具 有 獨(dú) 立 的 低 端 和 高 端 輸 入 通 道 ； 懸 浮 電 源 采 用 自 舉 電 路 ， 其 高 端 工 作 電 壓 可 達(dá) 500V， dv/dt=± 50V/ns， 15V下 靜 態(tài) 功 耗 僅 116mW； 輸 出 的 電 源 端 （ 腳 3,即 功 率 器 件 的 柵 極 驅(qū) 動(dòng) 電 壓 ） 電 壓 范 圍 10～ 20V； 邏 輯 電 源 電 壓 范 圍 （ 腳 9） 5～ 15V， 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 ± 5V的 偏 移 量 ； 工 作 頻 率 高 ， 可 達(dá) 500kHz； 開 通 、 關(guān) 斷 延 遲 小 ， 分 別 為 120ns和 94ns； 圖 騰 柱 輸 出 峰 值 電 流 為 2A。
IR2110的 內(nèi) 部 功 能 框 圖 如 圖 1所 示 。 由 三 個(gè) 部 分 組 成 ： 邏 輯 輸 入 ， 電 平 平 移 及 輸 出 保 護(hù) 。 如 上 所 述 IR2110的 特 點(diǎn) ， 可 以 為 裝 置 的 設(shè) 計(jì) 帶 來(lái) 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(dòng) 電 源 的 數(shù) 目 ， 三 相 橋 式 變 換 器 ， 僅 用 一 組 電 源 即 可 。

3 高 壓 側(cè) 懸 浮 驅(qū) 動(dòng) 的 自 舉 原 理
IR2110用 于 驅(qū) 動(dòng) 半 橋 的 電 路 如 圖 2所 示 。 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） 。 當(dāng) HIN為 高 電 平 時(shí) VM1開 通 ， VM2關(guān) 斷 ， VC1加 到 S1的 門 極 和 發(fā) 射 極 之 間 ， C1通 過(guò) VM1， Rg1和 S1門 極 柵 極 電 容 Cgc1放 電 ， Cgc1被 充 電 。 此 時(shí) VC1可 等 效 為 一 個(gè) 電 壓 源 。 當(dāng) HIN為 低 電 平 時(shí) ， VM2開 通 ， VM1斷 開 ， S1柵 電 荷 經(jīng) Rg1、 VM2迅 速 釋 放 ， S1關(guān) 斷 。 經(jīng) 短 暫 的 死 區(qū) 時(shí) 間 （ td） 之 后 ， LIN為 高 電 平 ， S2開 通 ， VCC經(jīng) VD1， S2給 C1充 電 ， 迅 速 為 C1補(bǔ) 充 能 量 。 如 此 循 環(huán) 反 復(fù) 。

4 自 舉 元 器 件 的 分 析 與 設(shè) 計(jì)
如 圖 2所 示 自 舉 二 極 管 （ VD1） 和 電 容 （ C1） 是 IR2110在 PWM應(yīng) 用 時(shí) 需 要 嚴(yán) 格 挑 選 和 設(shè) 計(jì) 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(shí) 進(jìn) 行 一 些 調(diào) 整 ， 使 電 路 工 作 在 佳 狀 態(tài) 。
4.1 自 舉 電 容 的 設(shè) 計(jì)
IGBT和 PM（ POWER MOSFET） 具 有 相 似 的 門 極 特 性 。 開 通 時(shí) ， 需 要 在 極 短 的 時(shí) 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 電 壓 比 器 件 充 分 導(dǎo) 通 所 需 要 的 電 壓 （ 10V， 高 壓 側(cè) 鎖 定 電 壓 為 8.7/8.3V） 要 高 ； 再 假 定 在 自 舉 電 容 充 電 路 徑 上 有 1.5V的 壓 降 （ 包 括 VD1的 正 向 壓 降 ） ； 后 假 定 有 1/2的 柵 電 壓 （ 柵 極 門 檻 電 壓 VTH通 常 3～ 5V） 因 泄 漏 電 流 引 起 電 壓 降 。 綜 合 上 述 條 件 ， 此 時(shí) 對(duì) 應(yīng) 的 自 舉 電 容 可 用 下 式 表 示 ：
例 如 FUJI 50A/600V IGBT充 分 導(dǎo) 通 時(shí) 所 需 要 的 柵 電 荷 Q_g=250nC（ 可 由 特 性 曲 線 查 得 ） ， V_CC=15V， 那 么
C₁=2× 250× 10^－9/(15－ 10－ 1.5)=1.4× 10^－7F
可 取 C1=0.22μ F或 更 大 一 點(diǎn) 的 ， 且 耐 壓 大 于 35V的 鉭 電 容 。
4.2 懸 浮 驅(qū) 動(dòng) 的 寬 導(dǎo) 通 時(shí) 間 _ton(max)
當(dāng) 長(zhǎng) 的 導(dǎo) 通 時(shí) 間 結(jié) 束 時(shí) ， 功 率 器 件 的 門 極 電 壓 Vge仍 必 須 足 夠 高 ， 即 必 須 滿 足 式 （ 1） 的 約 束 關(guān) 系 。 不 論 P M還 是 IGBT， 因 為 絕 緣 門 極 輸 入 阻 抗 比 較 高 ， 假 設(shè) 柵 電 容 （ Cge） 充 電 后 ， 在 V_CC=15V時(shí) 有 15μ A的 漏 電 流 （ I_gQs） 從 C₁中 抽 取 。 仍 以 4.1中 設(shè) 計(jì) 的 參 數(shù) 為 例 ， Q_g=250nC， Δ U=V_CC－ 10－ 1.5=3.5V， Q_avail=Δ U× C=3.5× 0.22=0.77μ C。 則 過(guò) 剩 電 荷 Δ Q=0.77－ 0.25=0.52μ C， Δ U_c=Δ Q/C=0.52/0.22=2.36V， 可 得 Uc=10＋ 2.36=12.36V。 由 U=Uc及 柵 極 輸

4.3 懸 浮 驅(qū) 動(dòng) 的 窄 導(dǎo) 通 時(shí) 間 _ton(min)
在 自 舉 電 容 的 充 電 路 徑 上 ， 分 布 電 感 影 響 了 充 電 的 速 率 。 下 管 的 窄 導(dǎo) 通 時(shí) 間 應(yīng) 保 證 自 舉 電 容 能 夠 充 足 夠 的 電 荷 ， 以 滿 足 Cge所 需 要 的 電 荷 量 再 加 上 功 率 器 件 穩(wěn) 態(tài) 導(dǎo) 通 時(shí) 漏 電 流 所 失 去 的 電 荷 量 。 因 此 從 窄 導(dǎo) 通 時(shí) 間 _ton(min)考 慮 ， 自 舉 電 容 應(yīng) 足 夠 小 。
綜 上 所 述 ， 在 選 擇 自 舉 電 容 大 小 時(shí) 應(yīng) 綜 合 考 慮 ， 既 不 能 太 大 影 響 窄 脈 沖 的 驅(qū) 動(dòng) 性 能 ， 也 不 能 太小 而 影 響 寬 脈 沖 的 驅(qū) 動(dòng) 要 求 。 從 功 率 器 件 的 工 作 頻 率 、 開 關(guān) 速 度 、 門 極 特 性 進(jìn) 行 選 擇 ， 估 算 后 經(jīng) 調(diào) 試 而 定 。
4.4 自 舉 二 極 管 的 選 擇
自 舉 二 極 管 是 一 個(gè) 重 要 的 自 舉 器 件 ， 它 應(yīng) 能 阻 斷 直 流 干 線 上 的 高 壓 ， 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 。
5 IR2110的 擴(kuò) 展 應(yīng) 用
單 從 驅(qū) 動(dòng) PM和 IGBT的 角 度 考 慮 ， 均 不 需 要 柵 極 負(fù) 偏 置 。 Vge=0， 完 全 可 以 保 證 器 件 正 常 關(guān) 斷 。 但 在 有 些 情 況 下 ， 負(fù) 偏 置 是 必 要 的 。 這 是 因 為 當(dāng) 器 件 關(guān) 斷 時(shí) ， 其 集 電 極 － 發(fā) 射 極 之 間 的 dv/dt過(guò) 高 時(shí) ， 將 通 過(guò) 集 電 極 － 柵 極 之 間 的 （ 密 勒 ） 電 容 以 尖 脈 沖 的 形 式 向 柵 極 饋 送 電 荷 ， 使 柵 極 電 壓 升 高 ， 而 PM， IGBT的 門 檻 電 壓 通 常 是 3～ 5V左 右 ， 一 旦 尖 脈 沖 的 高 度 和 寬 度 達(dá) 到 一 定 的 水 平 ， 功 率 器 件 將 會(huì) 誤 導(dǎo) 通 ， 造 成 災(zāi) 難 性 的 后 果 。 而 采 用 柵 極 負(fù) 偏 置 ， 可 以 較 好 地 解 決 這 個(gè) 問(wèn) 題 。
5.1 具 有 負(fù) 偏 壓 的 IR2110驅(qū) 動(dòng) 電 路
電 路 如 圖 3所 示 。 高 壓 側(cè) 和 低 壓 側(cè) 的 電 路 完 全 相 同 。 每 個(gè) 通 道 分 別 用 了 兩 只 N溝 道 和 兩 只 P溝 道 的 MOSFET。 VD2、 C2、 R2為 VM2的 柵 極 耦 合 電 路 ， C3、 C4、 VD3、 VD4用 于 將 H0（ 腳 7） 輸 出 的 單 極 性 的 驅(qū) 動(dòng) 信 號(hào) 轉(zhuǎn) 換 為 負(fù) 的 直 流 電 壓 。 當(dāng) VCC=15V時(shí) ， C4兩 端 可 獲 得 約 10V的 負(fù) 壓 。

5.2 簡(jiǎn) 單 負(fù) 偏 壓 IR2110驅(qū) 動(dòng) 電 路
電 路 如 圖 4所 示 。 高 壓 側(cè) 的 負(fù) 偏 壓 由 C1， VD1， R1產(chǎn) 生 ， R1的 平 均 電 流 應(yīng) 不 小 于 1mA。 不 同 的 HV可 選 擇 不 同 的 電 阻 值 ， 并 適 當(dāng) 考 慮 其 功 耗 。 低 壓 側(cè) 由 VCC， R2， C2， VD2產(chǎn) 生 。 兩 路 負(fù) 偏 置 約 為 － 4.7V。 可 選 擇 小 電 流 的 齊 納 二 極 管 。
在 圖 3所 示 電 路 中 ， VM1～ VM4如 選 擇 合 適 的 MOSFET， 也 能 同 時(shí) 達(dá) 到 擴(kuò) 展 電 流 的 目 的 ， 收 到 產(chǎn) 生 負(fù) 偏 置 和 擴(kuò) 展 電 流 二 合 一 的 功 能 。
6 應(yīng) 用 實(shí) 例
一 臺(tái) 2kW， 三 相 400Hz， 115V/200V的 變 頻 電 源 。 單 相 50Hz， 220V輸 入 ， 逆 變 橋 直 流 干 線 HV≈ 300V， 開 關(guān) 頻 率 fs=13.2kHz。 功 率 模 塊 為 6MBI25L060， 用 三 片 IR2110作 為 驅(qū) 動(dòng) 電 路 ， 共 用 一 組 15V的 電 源 。 主 電 路 如 圖 5所 示 。 控 制 電 路 由 80C196MC構(gòu) 成 的 小 系 統(tǒng) 組 成 。 圖 6為 IR2110高 壓 側(cè) 輸 出 的 驅(qū) 動(dòng) 信 號(hào) ， 圖 7為 其 中 一 相 的 輸 出 波 形 。
7 結(jié) 語(yǔ)
IR2110是 一 種 性 能 比 較 優(yōu) 良 的 驅(qū) 動(dòng) 集 成 電 路 。 無(wú) 需 擴(kuò) 展 可 直 接 用 于 小 功 率 的 變 換 器 中 ， 使 電 路 更 加 緊 湊 。 在 應(yīng) 用 中 如 需 擴(kuò) 展 ， 附 加 硬 件 成 本 也 不 高 ， 空 間 增 加 不 大 。 然 而 其 內(nèi) 部 高 側(cè) 和 低 側(cè) 通 道分 別 有 欠 壓 封 鎖 保 護(hù) 功 能 ， 但 與 其 它 驅(qū) 動(dòng) 集 成 電 路 相 比 ， 保 護(hù) 功 能 略 顯 不 足 ， 可 以 通 過(guò) 其 它 保 護(hù) 措 施 加 以 彌 補(bǔ) 。

參考文獻(xiàn)

  

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