高压悬浮驱动器IR2110的原理和扩展应用

高压悬浮驱动器 IR2110 的原理和扩展应用高压悬浮驱动器 IR2110 的原理和扩展应用1、主要特点、功能原理框图和说明 IR2110 采用 14 端 DIP 封装，引出端排列如图 IR2110-1 所示。内部功能原理框图如图 IR2110-2 所示。IR2110 各引出殿功能分别是:1 端(LO)是低端通道输出。2端(COM)是公共端。3 端(Vss)是低端固定电源电压。5 端(Us)是高端浮置电源偏移电压。6 端(UB)是高端浮置电源电压。7 端(HO)是高端输出。9 端(VDD)是逻辑电路电源电压。10 端(HIN)、11 端(SD)、12 端(LIN)均是逻辑输入。13 端(Vss)是逻辑电路地电位端外加电源电压，其值可以为 0V。4 端、8 端、14 端均为空端。 摘 要 : 介 绍 了 IR2110 的 内 部 结 构 和 特 点 ， 高 压 侧 悬 浮 驱 动 的 原 理 和 自 举 元 件 的 设 计 。 针 对 IR2110 的 不 足 提 出 了 几 种 扩 展 应 用 的 方 案 ， 并 给 出 了 应 用 实 例 。 关 键 词 : 悬 浮 驱 动 ; 栅 电 荷 ; 自 举 ; 绝 缘 门 极 1 引 言 在 功 率 变 换 装 置 中 ， 根 据 主 电 路 的 结 构 ， 其 功 率 开 关 器 件 一 般 采 用 直 接 驱 动 和 隔 离 驱 动 两 种 方 式 。 采 用 隔 离 驱 动 方 式 时 需 要 将 多 路 驱 动 电 路 、 控 制 电 路 、 主 电 路 互 相 隔 离 ， 以 免 引 起 灾 难 性 的 后 果 。 隔 离 驱 动 可 分 为 电 磁 隔 离 和 光 电 隔 离 两 种 方 式 。 光 电 隔 离 具 有 体 积 小 ， 结 构 简 单 等 优 点 ， 但 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 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 ， dv/dt 共 模 干 扰 抑 制 能 力 强 。 但 信 号 的 最 大 传 输 宽 度 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, 。 而 且 信 号 的 最 小 宽 度 又 受 磁 化 电 流 所 限 。 脉 冲 变 压 器 体 积 大 ， 笨 重 ， 加 工 复 杂 。 凡 是 隔 离 驱 动 方 式 ， 每 路 驱 动 都 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 ， 增 加 了 电 路 的 复 杂 性 。 随 着 驱 动 技 术 的 不 断 成 熟 ， 已 有 多 种 集 成 厚 膜 驱 动 器 推 出 。 如 EXB840/841、 EXB850/851、 M57959L/AL、 M57962L/AL、 HR065 等 等 ， 它 们 均 采 用 的 是 光 耦 隔 离 ， 仍 受 上 述 缺 点 的 限 制 。 美 国 IR 公 司 生 产 的 IR2110 驱 动 器 。 它 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 。 2 IR2110 内 部 结 构 和 特 点 IR2110 采 用 HVIC 和 闩 锁 抗 干 扰 CMOS 制 造 工 艺 ， DIP14 脚 封 装 。 具 有 独 立 的 低 端 和 高 端 输 入 通 道 ; 悬 浮 电 源 采 用 自 举 电 路 ， 其 高 端 工 作 电 压 可 达 500V， dv/dt=? 50V/ns， 15V 下 静 态 功 耗 仅 116mW; 输 出 的 电 源 端 ( 脚 3,即 功 率 器 件 的 栅 极 驱 动 电 压 ) 电 压 范 围 10, 20V; 逻 辑 电 源 电 压 范 围 ( 脚 9) 5, 15V， 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 ? 5V的 偏 移 量 ; 工 作 频 率 高 ， 可 达 500kHz; 开 通 、 关 断 延 迟 小 ， 分 别 为 120ns 和 94ns; 图 腾 柱 输 出 峰 值 电 流 为 2A。 IR2110 的 内 部 功 能 框 图 如 图 1 所 示 。 由 三 个 部 分 组 成 : 逻 辑 输 入 ， 电 平 平 移 及 输 出 保 护 。 如 上 所 述 IR2110 的 特 点 ， 可 以 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 ， 三 相 变 换 器 ， 仅 用 一 组 电 源 即 可 。 桥 式 3 高 压 侧 悬 浮 驱 动 的 自 举 原 理 IR2110 用 于 驱 动 半 桥 的 电 路 如 图 2 所 示 。 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 ( VC1? VCC) 。 当 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 ， Cgc1 被 充 电 。 此 时 VC1 可 等 效 为 一 个 电 压 源 。 当 HIN 为 低 电 平 时 ， VM2 开 通 ， VM1 断 开 ， S1 栅 电 荷 经 Rg1、 VM2 迅 速 释 放 ， S1 关 断 。 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 ， 迅 速 为 C1 补 充 能 量 。 如 此 循 环 反 复 。 4 自 举 元 器 件 的 分 析 与 设 计 如 图 2 所 示 自 举 二 极 管 ( VD1) 和 电 容 ( C1) 是 IR2110 在 PWM 应 用 时 需 要 严 格 挑 选 和 设 计 的 元 器 件 ， 应 根 据 一 定 的 规 则 进 行 计 算 分 析 。 在 电 路 实 验 时 进 行 一 些 调 整 ， 使 电 路 工 作 在 最 佳 状 态 。 4.1 自 举 电 容 的 设 计 IGBT 和 PM( POWER MOSFET) 具 有 相 似 的 门 极 特 性 。 开 通 时 ， 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 电 压 比 器 件 充 分 导 通 所 需 要 的 电 压 ( 10V， 高 压 侧 锁 定 电 压 为 8.7/8.3V) 要 高 ; 再 假 定 在 自 举 电 容 充 电 路 径 上 有 1.5V 的 压 降 ( 包 括 VD1 的 正 向 压 降 ) ; 最 后 假 定 有 1/2 的 栅 电 压 ( 栅 极 门 槛 电 压 VTH 通 常 3, 5V) 因 泄 漏 电 流 引 起 电 压 降 。 综 合 上 述 条 件 ， 此 时 对 应 的 自 举 电 容 可 用 下 式 表 示 : 例 如 FUJI 50A/600V IGBT 充 分 导 通 时 所 需 要 的 栅 电 荷 Q=250nC( 可 由 特 性 曲 线 查 g得 ) ， V=15V， 那 么 CC,9,7C=2 250 10/(15, 10, 1.5)=1.4 10F 1可 取 C1=0.22 F 或 更 大 一 点 的 ， 且 耐 压 大 于 35V 的 钽 电 容 。 4.2 悬 浮 驱 动 的 最 宽 导 通 时 间 ton(max)当 最 长 的 导 通 时 间 结 束 时 ， 功 率 器 件 的 门 极 电 压 Vge 仍 必 须 足 够 高 ， 即 必 须 满 足 式 ( 1) 的 约 束 关 系 。 不 论 P M 还 是 IGBT， 因 为 绝 缘 门 极 输 入 阻 抗 比 较 高 ， 假 设 栅 电 容 ( Cge) 充 电 后 ， 在 V=15V 时 有 15 A 的 漏 电 流 ( I) 从 C 中 抽 取 。 CCgQs1 仍 以 4.1 中 设 计 的 参 数 为 例 ， Q=250nC， U=V, 10, 1.5=3.5V， Q= U C=3.5 gCCavail0.22=0.77 C。 则 过 剩 电 荷 Q=0.77, 0.25=0.52 C， U= Q/C=0.52/0.22=2.36V， 可 得 cUc=10， 2.36=12.36V。 由 U=Uc 及 栅 极 输 4.3 悬 浮 驱 动 的 最 窄 导 通 时 间 ton(min)在 自 举 电 容 的 充 电 路 径 上 ， 分 布 电 感 影 响 了 充 电 的 速 率 。 下 管 的 最 窄 导 通 时 间 应 保 证 自 举 电 容 能 够 充 足 够 的 电 荷 ， 以 满 足 Cge 所 需 要 的 电 荷 量 再 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 。 综 上 所 述 ， 在 选 择 自 举 电 容 大 小 时 应 综 合 考 虑 ， 既 不 能 太 大 影 响 窄 脉 冲 的 驱 动 性 能 ， 也 不 能 太小 而 影 响 宽 脉 冲 的 驱 动 要 求 。 从 功 率 器 件 的 工 作 频 率 、 开 关 速 度 、 门 极 特 性 进 行 选 择 ， 估 算 后 经 调 试 而 定 。 4.4 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 能 阻 断 直 流 干 线 上 的 高 压 ， 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 。 5 IR2110 的 扩 展 应 用 单 从 驱 动 PM 和 IGBT 的 角 度 考 虑 ， 均 不 需 要 栅 极 负 偏 置 。 Vge=0， 完 全 可 以 保 证 器 件 正 常 关 断 。 但 在 有 些 情 况 下 ， 负 偏 置 是 必 要 的 。 这 是 因 为 当 器 件 关 断 时 ， 其 集 电 极 , 发 射 极 之 间 的 dv/dt 过 高 时 ， 将 通 过 集 电 极 , 栅 极 之 间 的 ( 密 勒 ) 电 容 以 尖 脉 冲 的 形 式 向 栅 极 馈 送 电 荷 ， 使 栅 极 电 压 升 高 ， 而 PM， IGBT 的 门 槛 电 压 通 常 是 3, 5V 左 右 ， 一 旦 尖 脉 冲 的 高 度 和 宽 度 达 到 一 定 的 水 平 ， 功 率 器 件 将 会 误 导 通 ， 造 成 灾 难 性 的 后 果 。 而 采 用 栅 极 负 偏 置 ， 可 以 较 好 地 解 决 这 个 问 题 。 5.1 具 有 负 偏 压 的 IR2110 驱 动 电 路 电 路 如 图 3 所 示 。 高 压 侧 和 低 压 侧 的 电 路 完 全 相 同 。 每 个 通 道 分 别 用 了 两 只 N 沟 道 和 两 只 P 沟 道 的 MOSFET。 VD2、 C2、 R2 为 VM2 的 栅 极 耦 合 电 路 ， C3、 C4、 VD3、 VD4 用 于 将 H0( 脚 7) 输 出 的 单 极 性 的 驱 动 信 号 转 换 为 负 的 直 流 电 压 。 当 VCC=15V 时 ， C4 两 端 可 获 得 约 10V 的 负 压 。 5.2 简 单 负 偏 压 IR2110 驱 动 电 路 电 路 如 图 4 所 示 。 高 压 侧 的 负 偏 压 由 C1， VD1， R1 产 生 ， R1 的 平 均 电 流 应 不 小 于 1mA。 不 同 的 HV 可 选 择 不 同 的 电 阻 值 ， 并 适 当 考 虑 其 功 耗 。 低 压 侧 由 VCC， R2， C2， VD2 产 生 。 两 路 负 偏 置 约 为 , 4.7V。 可 选 择 小 电 流 的 齐 纳 二 极 管 。 在 图 3 所 示 电 路 中 ， VM1, VM4 如 选 择 合 适 的 MOSFET， 也 能 同 时 达 到 扩 展 电 流 的 目 的 ， 收 到 产 生 负 偏 置 和 扩 展 电 流 二 合 一 的 功 能 。 6 应 用 实 例 一 台 2kW， 三 相 400Hz， 115V/200V 的 变 频 电 源 。 单 相 50Hz， 220V 输 入 ， 逆 变 桥 直 流 干 线 HV? 300V， 开 关 频 率 fs=13.2kHz。 功 率 模 块 为 6MBI25L060， 用 三 片 IR2110 作 为