IR2110驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘要：介紹IR2110驅(qū)動(dòng)模塊的特點(diǎn)，針對(duì)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(dòng)電路，較好地改善IR2110的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)性能，增強(qiáng)其實(shí)用性。
關(guān)鍵詞：IR2110；IGBT：驅(qū)動(dòng)電路；保護(hù)

1 引言
    驅(qū)動(dòng)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(dòng)模塊。這些模塊具有多種保護(hù)功能、隔離驅(qū)動(dòng)、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(duì)價(jià)格較高，且只能驅(qū)動(dòng)單個(gè)功率管。而IR2110是雙通道高壓、高速電壓型功率開(kāi)關(guān)器件柵極驅(qū)動(dòng)器，具有自舉浮動(dòng)電源。驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，只需一路電源即可同時(shí)驅(qū)動(dòng)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(duì)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(hào)輸入，具有獨(dú)立的高端和低端2個(gè)輸出通道。由于邏輯信號(hào)均通過(guò)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(kāi)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(dòng)電源可同時(shí)驅(qū)動(dòng)同一橋臂的上、下兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件，大大簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)。

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3 驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)
3．1 輸入、輸出信號(hào)處理
    該驅(qū)動(dòng)電路將從光纖輸入的信號(hào)處理變?yōu)轵?qū)動(dòng)信號(hào)輸出，且當(dāng)信號(hào)出現(xiàn)過(guò)流時(shí)輸出一個(gè)阻斷信號(hào)到系統(tǒng)的控制部分，由控制部分停止PWM信號(hào)的輸出，關(guān)斷IGBT管，如圖2所示。
    在大中功率場(chǎng)合下，開(kāi)關(guān)管開(kāi)通關(guān)斷的du／dt、di／dt很高，很容易對(duì)控制電路等弱電信號(hào)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(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸，延時(shí)小且可消除來(lái)自功率開(kāi)關(guān)器件的干擾。

    由圖2可知，光接收器接收到信號(hào)(即有PWM信號(hào)到來(lái))時(shí)為低電平，而與非門(mén)U1的另一端接+15 V為高電平，通過(guò)與非門(mén)U1后為高電平，再通過(guò)異或門(mén)U2、與門(mén)U3接收到信號(hào)，該信號(hào)接到IR2110的低通道輸入端LIN，用來(lái)驅(qū)動(dòng)IR2110一端的IGBT。異或門(mén)U6，與非門(mén)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(hào)發(fā)生跳變時(shí)，異或門(mén)U6輸出一個(gè)正脈沖，其寬度由電容C3和電阻R1決定，并通過(guò)光纖發(fā)送器發(fā)出。當(dāng)IGBT過(guò)流時(shí)，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(shí)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(hào)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(guò)電流保護(hù)控制功能，但在驅(qū)動(dòng)大中功率IGBT管時(shí)應(yīng)慎用，因?yàn)榇箅娏飨玛P(guān)斷di／dt很大，控制及驅(qū)動(dòng)電路屏蔽不好的情況下會(huì)產(chǎn)生很大的干擾信號(hào)，容易引起SD端保護(hù)誤動(dòng)作，在強(qiáng)感性大電流下關(guān)斷驅(qū)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致直流母線(xiàn)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(dòng)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(hào)，如圖3所示。

    保護(hù)電路處理過(guò)流和欠壓檢測(cè)信號(hào)，完成過(guò)流保護(hù)和欠電壓保護(hù)，整個(gè)保護(hù)電路的核心是LM555。[!--empirenews.page--]
    (1)過(guò)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(guò)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(shí)間電路。當(dāng)有信號(hào)輸入時(shí)(IGBT導(dǎo)通)，MSURE信號(hào)為低電平，VQ4截止，C極的電壓反饋到LM555的引腳6；當(dāng)無(wú)信號(hào)輸入時(shí)(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(duì)于E極的電壓)超過(guò)一定值時(shí)，V6E(LM555的引腳6相對(duì)于E極的電壓)大于V5E(LM555的引腳5相對(duì)于E極的電壓)，LM555引腳7輸出為低電平，即OVC為低電平，啟動(dòng)過(guò)流保護(hù)，經(jīng)阻斷時(shí)間后恢復(fù)正常；否則，引腳7為門(mén)極開(kāi)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(hào)(引腳4)不起作用；當(dāng)給定電壓低到一定值時(shí)，LM555的引腳4為0 V，RESET信號(hào)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(dòng)。
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(dòng)場(chǎng)合，各路驅(qū)動(dòng)電源獨(dú)立，集成驅(qū)動(dòng)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(guò)外加無(wú)源器件產(chǎn)生負(fù)壓，如圖4所示。

    在上、下管驅(qū)動(dòng)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(guò)R10為C11充電，C11保持5 V電壓。LIN為高電平時(shí)，LO相對(duì)COM輸出20 V的高電平，這時(shí)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(shí)，LO輸出O V，此時(shí)VG1的電壓為-5 V，實(shí)現(xiàn)關(guān)斷時(shí)負(fù)壓。同理，對(duì)于上管VG2，HIN輸入高電平時(shí)，HO輸出20 V，加在VG2的電壓為15 V。當(dāng)HIN為低電平時(shí)，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(shí)間內(nèi)快速導(dǎo)通。

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