IR2110驅(qū)動電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘要：介紹IR2110驅(qū)動模塊的特點(diǎn)，針對其存在的一些不足，給出相關(guān)解決方案。設(shè)計(jì)相應(yīng)的優(yōu)化驅(qū)動電路，較好地改善IR2110的驅(qū)動和保護(hù)性能，增強(qiáng)其實(shí)用性。
關(guān)鍵詞：IR2110；IGBT：驅(qū)動電路；保護(hù)

1 引言
    驅(qū)動IGBT電壓型功率器件有多種具有保護(hù)及隔離功能的集成驅(qū)動模塊。這些模塊具有多種保護(hù)功能、隔離驅(qū)動、電路參數(shù)一致性好、運(yùn)行穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，但其相對價格較高，且只能驅(qū)動單個功率管。而IR2110是雙通道高壓、高速電壓型功率開關(guān)器件柵極驅(qū)動器，具有自舉浮動電源。驅(qū)動電路簡單，只需一路電源即可同時驅(qū)動上、下橋臂，但存在不能產(chǎn)生負(fù)偏壓，在抗干擾方面較薄弱等缺陷。這里從保護(hù)、抗干擾等方面對該模塊進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其優(yōu)點(diǎn)更突出，從而使用范圍更廣泛。

2 IR2110功能模塊
    圖1為IR2110內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。IR2110采用CMOS工藝制作，邏輯電源電壓范圍為5-20 V，適應(yīng)TTL或CMOS邏輯信號輸入，具有獨(dú)立的高端和低端2個輸出通道。由于邏輯信號均通過電平耦合電路連接到各自的通道上，允許邏輯電路參考地(Vss)與功率電路參考地(COM)之間有-5～+5 V的偏移量，并能屏蔽小于50 ns的脈沖。采用CMOS施密特觸發(fā)輸入，以提高電路的抗干擾能力。IR2110由邏輯輸入、電平平移及輸出保護(hù)組成。邏輯輸入電路與TTL／CMOS電平兼容；邏輯電源地(Vss)和功率地(COM)之間允許有±5 V的偏移量；工作頻率高，可達(dá)500 kHz；開通、關(guān)斷延遲小，分別為120 ns和94 ns：輸出峰值電流可達(dá)2 A，上橋臂通道可承受500 V的電壓。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(guān)器件，大大簡化了驅(qū)動電源設(shè)計(jì)。

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3 驅(qū)動電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)
3．1 輸入、輸出信號處理
    該驅(qū)動電路將從光纖輸入的信號處理變?yōu)轵?qū)動信號輸出，且當(dāng)信號出現(xiàn)過流時輸出一個阻斷信號到系統(tǒng)的控制部分，由控制部分停止PWM信號的輸出，關(guān)斷IGBT管，如圖2所示。
    在大中功率場合下，開關(guān)管開通關(guān)斷的du／dt、di／dt很高，很容易對控制電路等弱電信號造成干擾，嚴(yán)重威脅功率逆變器的安全運(yùn)行。因此采用光纖連接器隔離主電路和控制電路，光纖連接器實(shí)現(xiàn)PWM控制信號的遠(yuǎn)距離傳輸，延時小且可消除來自功率開關(guān)器件的干擾。

    由圖2可知，光接收器接收到信號(即有PWM信號到來)時為低電平，而與非門U1的另一端接+15 V為高電平，通過與非門U1后為高電平，再通過異或門U2、與門U3接收到信號，該信號接到IR2110的低通道輸入端LIN，用來驅(qū)動IR2110一端的IGBT。異或門U6，與非門U5，電阻R1和電容C3組成確認(rèn)脈沖發(fā)生電路。每當(dāng)輸入信號發(fā)生跳變時，異或門U6輸出一個正脈沖，其寬度由電容C3和電阻R1決定，并通過光纖發(fā)送器發(fā)出。當(dāng)IGBT過流時，OVC為低電平，其低電位反饋到U3的輸入端，使DRG強(qiáng)置為高電平，從而使IGBT關(guān)斷。此時SO端也將出現(xiàn)低電平，輸出光纖將狀態(tài)傳送至系統(tǒng)控制部分。由系統(tǒng)發(fā)出信號統(tǒng)一關(guān)斷IGBT管。
3．2 保護(hù)電路
    IR2110自帶保護(hù)功能，輸入端SD可實(shí)現(xiàn)過電流保護(hù)控制功能，但在驅(qū)動大中功率IGBT管時應(yīng)慎用，因?yàn)榇箅娏飨玛P(guān)斷di／dt很大，控制及驅(qū)動電路屏蔽不好的情況下會產(chǎn)生很大的干擾信號，容易引起SD端保護(hù)誤動作，在強(qiáng)感性大電流下關(guān)斷驅(qū)動會導(dǎo)致直流母線上的高壓毛刺，而IR2110允許的最高電壓只有500 V，很可能使驅(qū)動模塊失效而燒壞IGBT模塊。因此這里重新設(shè)計(jì)保護(hù)電路，使其能更好保護(hù)封鎖信號，如圖3所示。

    保護(hù)電路處理過流和欠壓檢測信號，完成過流保護(hù)和欠電壓保護(hù)，整個保護(hù)電路的核心是LM555。[!--empirenews.page--]
    (1)過流保護(hù)電路 圖3中，二極管VD3，電阻R14、R16、R15，電容C6，MOS管VQ4組成過流反饋電路，與R11、R12及穩(wěn)壓管VD2組成的參考電壓相比較；R8、R9、R10、C4與MOS管VQ3組成阻斷時間電路。當(dāng)有信號輸入時(IGBT導(dǎo)通)，MSURE信號為低電平，VQ4截止，C極的電壓反饋到LM555的引腳6；當(dāng)無信號輸入時(IGBT截止)，VQ4導(dǎo)通，則LM555引腳6的電壓為0 V。在IGBT導(dǎo)通期間，當(dāng)VCE(C極相對于E極的電壓)超過一定值時，V6E(LM555的引腳6相對于E極的電壓)大于V5E(LM555的引腳5相對于E極的電壓)，LM555引腳7輸出為低電平，即OVC為低電平，啟動過流保護(hù)，經(jīng)阻斷時間后恢復(fù)正常；否則，引腳7為門極開路，電路工作正常。
    (2)欠壓保護(hù)電路 該電路由圖3中的電阻R5、R6、R7，晶體管VQ2及穩(wěn)壓管VD1組成。正常狀態(tài)下，晶體管VQ2導(dǎo)通，LM555的RESET信號(引腳4)不起作用；當(dāng)給定電壓低到一定值時，LM555的引腳4為0 V，RESET信號起作用，使LM555處于復(fù)位狀態(tài)，引腳7即OVC為低電平，保護(hù)電路啟動。
3．3 負(fù)偏壓電路
　　IR2110的另一不足是不能產(chǎn)生負(fù)偏壓。在大功率IGBT驅(qū)動場合，各路驅(qū)動電源獨(dú)立，集成驅(qū)動器一般都能產(chǎn)生負(fù)壓，-5 V。用于增強(qiáng)IGBT關(guān)斷的可靠性，防止由于密勒效應(yīng)而造成誤導(dǎo)通。IR2110器件內(nèi)部雖不能產(chǎn)生負(fù)壓，但可通過外加無源器件產(chǎn)生負(fù)壓，如圖4所示。

    在上、下管驅(qū)動電路中均增加由電容和5 V穩(wěn)壓管組成的負(fù)壓電路。其工作原理為：電源電壓Vcc為20 V。在上電期間，電源通過R10為C11充電，C11保持5 V電壓。LIN為高電平時，LO相對COM輸出20 V的高電平，這時加在下管VG1的電壓為15 V，IGBT正常導(dǎo)通。當(dāng)LIN輸入為低電平時，LO輸出O V，此時VG1的電壓為-5 V，實(shí)現(xiàn)關(guān)斷時負(fù)壓。同理，對于上管VG2，HIN輸入高電平時，HO輸出20 V，加在VG2的電壓為15 V。當(dāng)HIN為低電平時，HO輸出0 V，VG2電壓為-5 V。選擇的C11，C12要大于IGBT柵極輸入寄生電容Ciss。自舉電容充電電路中的二極管VD4必須是快恢復(fù)二極管，以保證在有限時間內(nèi)快速導(dǎo)通。

4 結(jié)論
    通過對驅(qū)動模塊IR2110的分析研究，在其驅(qū)動電路簡單、可獨(dú)立高端和低端輸出驅(qū)動通道等基礎(chǔ)上，針對其一些不足。設(shè)計(jì)實(shí)用性較強(qiáng)的優(yōu)化驅(qū)動電路，使該模塊在使用中能更有效地對IGBT進(jìn)行驅(qū)動、控制和過流保護(hù)。