1、驱动电路 IR2110 的特性及应用功率变换装置中的功率开关器件，根据主电路的不同，一般可采用直接驱动和隔离驱动两种方式。其中隔离驱动可分为电磁隔离和光电隔离两种。光电隔离具有体积小，结构简单等优点，但同时存在共模抑制能力差，传输速度慢的缺点。快速光耦的速度也仅有几十 kHz。电磁隔离用脉冲变压器作为隔离元件，具有响应速度快(脉冲的前沿和后沿)，原副边的绝缘强度高，dvdt 共模干扰抑制能力强等特点。但信号的最大传输宽度有受磁饱和特性的限制，因而信号的顶部不易传输。而且最大占空比被限制在 50。同时信号的最小宽度也要受磁化电流的限制。同时脉冲变压器体积也大，而且笨重，工艺复杂。凡是隔离驱动方式
2、，每路驱动都需要一组辅助电源，若是三相桥式变换器，则需要六组，而且还要互相悬浮，因而增加了电路的复杂性。随着驱动技术的不断成熟，现已有多种集成厚膜驱动器推出。如 EXB840841、EXB850851、M57959L AL 、M57962LAL、HR065 等等，它们均采用的是光耦隔离，而光耦隔离仍受到上述缺点的限制。而美国 IR 公司生产的 IR2110 驱动器则兼有光耦隔离(体积小)和电磁隔离(速度快)的优点，是中小功率变换装置中驱动器件的首选品种。1 IR2110 的结构特点IR2110 采用 HVIC 和闩锁抗干扰 CMOS 工艺制造，DIP14 脚封装。该器件具有独立的低端和高端输入
3、通道。其悬浮电源采用自举电路，高端工作电压可达 500 V，dVdt=50 Wns，15 V 下的静态功耗仅 116 mW。IR2110 的输出端 f 脚 3，即功率器件的栅极驱动电压)电压范围为 1020 V，逻辑电源电压范围(脚9)为 5 15 V，可方便地与 TTL、CMOS 电平相匹配，而且逻辑电源地和功率地之间允许有5 V 的偏移量；此外，该器件的工作频率可达 500 kHz，而且开通、关断延迟小(分别为 120 ns 和 94 ns)，图腾柱输出峰值电流为 2 A。IR2110 的内部功能框图如图 1 所示。由图可见，它由逻辑输入、电平平移及输出保护三个部分组成。IR2110 可以
4、为装置的设计带来许多方便，尤其是高端悬浮自举电源的成功设计，可以大大减少驱动电源的数目。2 自举元器件的选择图 2 所示是基于 IR2110 的半桥驱动电路。其中的自举二极管 VD1 和电容 C1 是 IR2110 在大功率脉宽调制放大器应用时需要严格挑的元器件，应根据一定的规则进行计算分析。在电路实验时，还要进行一些调整，以使电路工作在最佳状态。2.1 自举电容的设计IGBT 和 PM(POWER MOSFET)具有相似的门极特性，它们在开通时都需要在极短的时间内向门极提供足够的栅电荷。假定在器件开通后，自举电容两端的电压比器件充分导通所需要的电压(10 V，高压侧锁定电压为 8.78.3
5、V)要高，而且在自举电容充电路径上有 1.5 V 的压降 (包括 VD1 的正向压降) ，同时假定有 12 的栅电压(栅极门槛电压 VTH 通常 35 V)因泄漏电流引起电压降。那么，此时对应的自举电容可用下式表示：例如 IRF2807 充分导通时所需要的栅电荷 Qg 为 160 nC(可由 IRF2807 电特性表查得)，Vcc 为 15V，那么有：这样 C1 约为 0.1 F，设计中即可选取 C1 为 0.22F 或更大，且耐压大于 35 V 的独石电容。2.2 悬浮驱动的最宽导通时间 ton(max)确定当最长的导通时间结束时，功率器件的门极电压 Vgs 仍必须足够高，即必须满足式(1)
6、 的约束关系。对于MOSEFT，因为绝缘门极输入阻抗比较高，假如栅电容(Cgs)充电后，在 Vcc 为 15 V 时有 15A 的漏电流(IgQs)从 C1 中抽取，若仍以本文的自举电容设计的参数为例，Qg=160 nC，U=Vcc-10-1.5=3.5 V，Qavail=UC=3.5x0.22=0.77C。则过剩电荷Q=0.77-0.16=0.61 C， Uc=QC=0.610.22=2.77 V，因此可得 Uc=10+2.77=12.77 V。由 U=Uc 及栅极输入阻抗 R 为 1 M，即可求出 t(即 ton(max)为：2.3 悬浮驱动的最窄导通时间 ton(min)确定在自举电容的
7、充电路径上，分布电感将会影响充电的速率。下管的最窄导通时间应保证自举电容能够有足够的电荷，以满足 Gge 所需要的电荷量加上功率器件稳态导通时漏电流所失去的电荷量。因此从最窄导通时间 ton(min)考虑，自举电容应足够小。实际上，在选择自举电容大小时，应当综合考虑，既不能大到影响窄脉冲的驱动性能，但也不能太小。2.4 自举二极管的选择自举二极管是一个重要的自举器件。它应在高端器件开通时能阻断直流干线上的高压，并且应当是快恢复二极管，以减小从自举电容向电源 Vcc 的回馈电荷。二极管承受的电流是栅极电荷与开关频率之积。为了减少电荷损失，应选择反向漏电流小的快恢复二极管。如果电容需要长期贮存电荷
8、，则高温反向漏电流十分重要。二极管耐压选择可按后级功率 MOSEFT 管的要求来定，其最大反向恢复时间 trr 要小于等于 100 ns，二极管所承受的电流 IF=Qbsf。3 IR2110 的扩展应用3.1 高压侧悬浮驱动的自举原理在图 2 所示的 IR2110 用于驱动半桥的电路图中， C1、VD1 分别为自举电容和二极管，C2 为 VCC 的滤波电容。假定在 S1 关断期间，C1 已充到足够的电压(Vc1Vcc)。那么，HIN 为高电平时 VM1 开通，VM2关断，VC1 加到 S1 的门极和发射极之间，C1 通过 VM1、Rg1 和 S1 门极栅极电容 Cgc1 放电，从而使 Cgc1
9、 被充电。此时，VC1 可等效为一个电压源。而当 HIN 为低电平时，VM2 开通，VM1 断开，S1 栅电荷经 Rg1、 VM2 迅速释放，使 S1 关断。然后经短暂的死区时间(td)之后，LIN 为高电平，S2 开通，VCC 经VD1，S2 给 C1 充电，并迅速为 C1 补充能量，并如此循环反复。由此可知，自举电路必须在 IR2110 输人信号不断的高低电平变化中，且自举电容反复充、放电时，才能起到正常的自举作用，而当 IR2110 的输人信号是直流电平信号时，自举电容将不能完成电荷的储存，即不能得到正常的充电，因此也不能为高端二极管提供驱动信号。如果不解决 IR2110 此功能的不足，
10、则当电机负载实际工作在占空比为 1，负载两端电压为零时，电机将停止工作；同时也会给功率开关管带来很大的电流变化率，从而影响功率管的使用寿命和长期可靠性。因此，在工作中应采取下面两种技术措施。(1)输入幅度鉴别电路的应用为了克服上述不足，可在工作中设计输入幅度鉴别电路，其电路如图 3 所示。该电路不仅可保证在输入信号的线性区内，输出调宽方波信号，而且，当输入信号在线性区外时，电路也可以输出固定的占空比信号，这样，即可保证电机在线性区外也能正常转动，同时也保证了输出负载电流不会产生大的突变。(2)电荷泵电路当电路输入 100占空比信号时，其核心振荡电路 CD4093 将产生一定频率的方波信号。当此
11、方波信号为低电平时，功率电源+Vs 通过 D5 给储能电容 C3 充电；而当此方波信号为高电平时，C3 则通过 D4 给自举电容 C2 充电，以维持自举电容的能量，最终使电路在 100占空比输入信号时，由 H 桥输出 100的占空比信号，同时也保证输出电流的连续性。图 4 所示为电荷泵电路图。3.2 防直通导通延时电路对 H 桥驱动电路上下桥臂功率晶体管加互补信号后，由于带载情况下，晶体管的关断时间通常比开通时间长，这样，当下桥臂晶体管未及时关断而上桥臂抢先开通时，就会出现所谓“桥臂直通”故障。这样会使桥臂直通时电流迅速变大，从而造成功率开关损坏。所以设置导通延时及死区时间必不可少。IR211
12、0 具有一定的死区时间，其大小为 10 ns 且不可外调，而实际使用中，MOSEFT 管的关断时间比开通时间有时还要比 10ns 大，此时就需要外加延时电路来加大死区时间，以防止电路直通，图 5 给出了一种导通延时电路及其波形。导通延时也可以通过 RC 时间常数来设置。对 GTR，可按 0.2sA 来设置；而对 MOSFET，则可按 0.10.2s 来设计，且与电流无关；IGBT 可按 25s 来设计。假如 GTR 的 f 为 5 kHz 旦双极性工作，调宽区域为 T2=1 10=0.1 ms，此时若 I 为 100 A，则t=0.2100=20s。这样 PWM 调制分辨率的最大可能性为：这说
13、明死区时间占据了调制周期的 15，显然是不可行的。所以，对于 100 A 的电机系统，GTR 的开关频率必须低于 5 kHz。例如，2 kHz 以下，此时的分辨率可达 12.5 左右。4 结束语IR2110 是一种性能比较优良的驱动集成电路，它的自举悬浮驱动电源可同时驱动同一桥臂的上、下两个开关器件，驱动电压高达 500 V，工作频率为 500 kHz，并具有电源欠压保护关断逻辑。IR2110 的输出用图腾柱结构，驱动峰值电流为 2 A，同时两通道还设有低压延时封锁(50ns)。此外，芯片还有一个封锁两路输出的保护端 SD，在 SD 输入高电平时，两路输出均被封锁。IR2110 的这些优点给实际系统设计带来了极大方便，特别是自举悬浮驱动电源大大简化了驱动电源设计，因为只用一路电源即可完成上下桥臂两个功率开关器件的驱动。但与其它驱动集成电路相比，IR2110 的保护功能略显不足，死区时间不可外调；电路工作在 100占空比信号输入时，也需要外接电荷泵电路来维持自举电容的足够能量。不过这些不足在实际应用中都可以通过本文所述的拓展应用电路来进行完善和补充。
