IR2132驅(qū)動(dòng)器及其在三相逆變器中的應(yīng)用

0 引言
    逆變器已廣泛用于交流電氣傳動(dòng)、UPS等許多技術(shù)領(lǐng)域中，其主電路開關(guān)器件常采用IGBT或MOSF、ET等全控型器件，該類器件的開關(guān)動(dòng)作需要靠獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，并要求驅(qū)動(dòng)電路的供電電源彼此隔離(如單相橋式逆變主電路需3組獨(dú)立電源，三相橋式逆變主電路需4組獨(dú)立電源)，這無(wú)疑增加輔助電源的設(shè)計(jì)困難和成本，同時(shí)也使驅(qū)動(dòng)電路變得復(fù)雜，降低了逆變器的可靠性。采用如EXB840等專用厚膜集成驅(qū)動(dòng)電路芯片雖然可以簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，但每個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片仍需要一個(gè)隔離的供電電源，且每個(gè)芯片僅可驅(qū)動(dòng)一個(gè)功率開關(guān)器件，應(yīng)用仍有不便。而美國(guó)國(guó)際整流器公司生產(chǎn)的專用驅(qū)動(dòng)芯片IR2132只需1個(gè)供電電源即可驅(qū)動(dòng)三相橋式逆變電路的6個(gè)功率開關(guān)器件，可以使整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路變得簡(jiǎn)單可靠。

1 IR2132驅(qū)動(dòng)芯片的特點(diǎn)
    IR2132可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)工作在母線電壓不高于600 V的電路中的功率MOS門器件，其可輸出的最大正向峰值驅(qū)動(dòng)電流為250 mA，而反向峰值驅(qū)動(dòng)電流為500 mA。它內(nèi)部設(shè)計(jì)有過流、過壓及欠壓保護(hù)、封鎖和指示網(wǎng)絡(luò)，使用戶可方便地用來(lái)保護(hù)被驅(qū)動(dòng)的MOS門功率管，加之內(nèi)部自舉技術(shù)的巧妙運(yùn)用使其可以用于高壓系統(tǒng)，它還可以對(duì)同一橋臂上下兩個(gè)功率器件的門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生O．8μs互鎖延時(shí)時(shí)間。它自身工作和電源電壓的范圍較寬(3～20 V)，在它的內(nèi)部還設(shè)計(jì)有與被驅(qū)動(dòng)的功率器件所通過的電流成線性關(guān)系的電流放大器，電路設(shè)計(jì)還保證了內(nèi)部的3個(gè)通道的高壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器和低壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器可單獨(dú)使用，亦可只用其內(nèi)部的3個(gè)低壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器，并且輸入信號(hào)與TTL及CMOS電平兼容。IR2132管腳如圖1所示。VBl～VB3是懸浮電源接地端，通過自舉電容為3個(gè)上橋臂功率管的驅(qū)動(dòng)器提供內(nèi)部懸浮電源，VSl～VS3是其對(duì)應(yīng)的懸浮電源地端。

    HINl～HIN3，LINl～LIN3是逆變器上橋臂和下橋臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端，低電平有效。
    ITRIP是過流信號(hào)檢測(cè)輸入端，可通過輸入電流信號(hào)來(lái)完成過流或直通保護(hù)。
    CA一，CA0，VSO是內(nèi)部放大器的反相端、輸出端和同相端，可用來(lái)完成電流信號(hào)檢測(cè)。
    H01～H03，L01～L03是逆變器上下橋臂功率開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端。
    FAULT是過流、直通短路、過壓、欠壓保護(hù)輸出端，該端提供一個(gè)故障保護(hù)的指示信號(hào)。它在芯片內(nèi)部是漏極開路輸出端，低電平有效。
    VCC，VSS是芯片供電電源連接端，VCC接正電源，而VSS接電源地。

2 IR2132內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其工作原理
    IR2132的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，它的內(nèi)部集成有1個(gè)電流比較器(Current Comparator)、1個(gè)電流放大器(Current Amp)、1個(gè)自身工作電源欠電壓檢測(cè)器(Under Voltage Detector)、1個(gè)故障處理單元(Fault Logic)及1個(gè)清除封鎖邏輯單元(Clear Logic)。除上述外，它內(nèi)部還集成有3個(gè)輸入信號(hào)處理器(Input Signal Generator)、2個(gè)脈沖處理和電平移位器(Pulse Generator Level Shifter)、3個(gè)上橋臂側(cè)功率管驅(qū)動(dòng)信號(hào)鎖存器(Latch)、3個(gè)上橋臂側(cè)功率管驅(qū)動(dòng)信號(hào)與欠壓檢測(cè)器(Under Voltage Detector)及6個(gè)低輸出阻抗MOS功率管驅(qū)動(dòng)器(Driver)和1個(gè)或門電路。

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    正常工作時(shí)，輸入的6路驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)輸入信號(hào)處理器處理后變?yōu)?路輸出脈沖，驅(qū)動(dòng)下橋臂功率管的信號(hào)L1～L3經(jīng)輸出驅(qū)動(dòng)器功放后，直接送往被驅(qū)動(dòng)功率器件。而驅(qū)動(dòng)上橋臂功率管的信號(hào)H1～H3先經(jīng)集成于IR2132內(nèi)部的3個(gè)脈沖處理器和電平移位器中的自舉電路進(jìn)行電位變換，變?yōu)?路電位懸浮的驅(qū)動(dòng)脈沖，再經(jīng)對(duì)應(yīng)的3路輸出鎖存器鎖存并經(jīng)嚴(yán)格的驅(qū)動(dòng)脈沖與否檢驗(yàn)之后，送到輸出驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行功放后才加到被驅(qū)動(dòng)的功率管。一旦外電流發(fā)生過流或直通，即電流檢測(cè)單元送來(lái)的信號(hào)高于0．5 V時(shí)，則IR2132內(nèi)部的電流比較器迅速翻轉(zhuǎn)，促使故障邏輯單元輸出低電平，一則封鎖3路輸入脈沖信號(hào)處理器的輸出，使IR2132的輸出全為低電平，保護(hù)功率管；同時(shí)IR2132的FAULT腳給出故障指示。同樣，若發(fā)生IR2132的工作電源欠壓，則欠壓檢測(cè)器迅速翻轉(zhuǎn)，也會(huì)進(jìn)行類似動(dòng)作。發(fā)生故障后，IR2132內(nèi)的故障邏輯單元的輸出將保持故障閉鎖狀態(tài)。直到故障清除后，在信號(hào)輸入端LINl～LIN3同時(shí)被輸入高電平，才可以解除故障閉鎖狀態(tài)。
    IR2132驅(qū)動(dòng)上橋臂功率管的自舉電源電壓不足時(shí)，則該電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)檢測(cè)器迅速動(dòng)作，封鎖該路輸出，避免功率器件因驅(qū)動(dòng)信號(hào)不足而損壞。當(dāng)逆變器同一橋臂上2個(gè)功率器件的輸入信號(hào)同時(shí)為高電平，則IR2132輸出的2路門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)全為低電平，從而可靠地避免橋臂直通現(xiàn)象發(fā)生。

3 采用IR2132的逆變器電路結(jié)構(gòu)
3．1 控制電路
    采用了一種新型的預(yù)制相位PWM波的數(shù)字控制方案，逆變器6個(gè)開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)同某一調(diào)制比的SPWM脈沖相對(duì)應(yīng)，其出發(fā)點(diǎn)是由一片EP-ROM來(lái)存儲(chǔ)這6個(gè)開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)，預(yù)置于EPROM內(nèi)的由多種方式產(chǎn)生，常見的是先計(jì)算出來(lái)，對(duì)應(yīng)于不同的基波頻率，按一定規(guī)律算出相對(duì)應(yīng)的脈寬，再轉(zhuǎn)換成數(shù)值，存儲(chǔ)在EPROM內(nèi)，EPROM的輸出與IR2132的HINl～HIN3，LINl～LIN3相連接。同一橋臂開關(guān)管之間相位互差120°，同橋臂上下開關(guān)互補(bǔ)導(dǎo)通且有死區(qū)。其SPWM波生成電路原理如圖3所示。

3．2 驅(qū)動(dòng)電路
    采用IR2132芯片驅(qū)動(dòng)逆變器功率管時(shí)，其基本主電路不需改變，仍可用典型的三相電壓型逆變電路，為便于表示，圖4中畫出了IR2132驅(qū)動(dòng)中1個(gè)橋臂的電路示意圖。圖中C1是自舉電容，為上橋臂功率管驅(qū)動(dòng)的懸浮電源存儲(chǔ)能量，VD1的作用是防止上橋臂導(dǎo)通時(shí)的直流電壓母線電壓加到IR2132的電源上而使器件損壞，因此VD1應(yīng)有足夠的反向耐壓，當(dāng)然由于VD1與C1串聯(lián)，為了滿足主電路功率管開關(guān)頻率的要求，VD1應(yīng)選快速恢復(fù)二極管。R1和R2是IGBT的門極驅(qū)動(dòng)電阻，一般可采用10到幾十歐姆。R3和R4組成過流檢測(cè)電路，其中R3是過流取樣電阻，R4是作為分壓用的可調(diào)電阻。IR2132的HINl～HIN3，LINl～LIN3作為功率管的輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)與SPWM波生成電路的EPROM連接。其容量取決于被驅(qū)動(dòng)功率器件的開關(guān)頻率、占空比以及充電回路電阻，必須保證電容充電到足夠的電壓，而放電時(shí)其兩端電壓不低于欠電壓保護(hù)動(dòng)作值，當(dāng)被驅(qū)動(dòng)的開關(guān)頻率大于5 kHz時(shí)，該電容值不小于0．1μF，且以瓷片電容為好。

4 結(jié)語(yǔ)
    采用IR2132器件實(shí)現(xiàn)單芯片電源供電的三相逆變器的驅(qū)動(dòng)，只要合理地選擇浮充電容，驅(qū)動(dòng)電路工作十分可靠，它不僅使電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性提高，而且可以可靠地實(shí)現(xiàn)短路、過流、欠壓和過壓等故障保護(hù)。