基于等面积法生成SPWM波形算法的研究-ir2101原理

IR2101 是双通道、栅极驱动、高压高速功率驱动器，该器件采用了高度集成的电平转换技术，大大简化了逻辑电路对功率器件的控制要求，同时提高了驱动电路的可靠性。同时上管采用外部自举电容上电，使驱动电源数目较其他 IC 驱动大大减少，在工程上减少了控制变压器体积和电源数目，降低了产品成本，提高了系统可靠性。IR2101 采用 HVIC 和闩锁抗干扰制造工艺，集成 DIP、SOIC 封装。其主要特性包括：悬浮通道电源采用自举电路；功率器件栅极驱动电压范围 1020 V；逻辑电源范围 520 V，而且逻辑电源地和功率地之间允许+5 V 的偏移量；带有下拉电阻的 CNOS 施密特输入端，方便与 LSTTL 和 CMOS 电平匹配；独立的低端和高端输入通道。IR2101 的内部结构框图如图 1 所示。图 1 IR2101 的内部结构框图图 1 中，HIN 为逻辑输入高；LIN 为逻辑输入低；VB 为高端浮动供应；HO 为高边栅极驱动器输出；Vs 为高端浮动供应返回；Voc 为电源；LO 为低边栅极驱动器输出；COM 为公共端.因为上桥臂的 MOS 管要饱和导通，必须要在门极与源极间加一个适当的电压。一般约 10V 左右，才能使 MOS 管导通时的内阻达到其额定值。此电压高一点其内阻会小一点，但太高则会损坏 MOS 管。当上桥臂 MOS 管导通时，其内阻Rds 很小，甚至只有 12m ，此时源极的电压基本上等于电源电压，那可能远高于控制驱动回路电压的。造成门极电压不可能高于源极要求的电压，上桥臂 MOS 管也就不可以很好的导通了。 解决的办法是，将上桥臂的驱动电路悬浮起来，Vs 接上桥臂 MOS 管的 S极，作为驱动电压的参考点。将自举电路中电容器在下桥臂导通时所充的电压（等于控制回路电压减去一个隔离二极管的正向压降约 0.6V 的电压）来提供对上桥臂的驱动，使上桥臂 MOS 管可以很好的饱和导通。不用自举电路是不行的。在要求上桥臂 MOS 导管通时下桥臂 MOS 管肯定是截止的，下桥臂 MOS 管的漏极 D（即上桥臂 MOS 管的源极 S）的电压，可能远高于控制回路的电压，若将 Vs 接地，不仅不能满足上桥臂 MOS 管导通的要求，甚至损坏上桥臂 MOS 管与半桥驱动 IR2110.在控制回路电压与电源电压相等或接近的情况下，“将 VS 接地”上半桥 MOS 管可以导通，但不能饱和导通。因为上半桥 MOS 管一饱和导通，其 S 极的电压就与 D 极的电压接近，约等于最高的电源电压，G 与 S 之间就没有要求的 10V左右的电压了，MOS 管就失去了饱和导通的条件。IR2101 逆变电路IR2101 逆变电路原理图如图 3 所示，H1、H2 为 IR2101 集成驱动芯片，VQ1、VQ2、VQ3、VQ4 为 MOS 管，Up、Un、Vp、Vn 是 SPMC75F2413A 单片机中输出的两相四路 PWM 波。其中 Up、Un 是一相 PWM 波的上下臂，Vp、Vn 为另一相PWM 波的上下臂，由于单片机中输出的 PWM 波不能驱动大功率 MOS 管，因此利用 IR2101 的电容自举功能，通过二极管 VD1、VD2（采用肖特基管所具有的快恢复功能，提升电容充电电压，关断过程减少消耗能量）对自举电容 C1、C2 进行充电，以此提升驱动 MOS 管的信号电压，使其具有扩大信号输出的功能，扩大后的信号 PWM 波就能有序地控制 VQ-1、VQ2、VQ3、VQ4 的通断，在逆变电路中同一相的上下臂的驱动信号是互补。图 3 IR2101 逆变电路原理图当 Up 输入高时，HO 输出也为高，通过 IR2101 的电容自举功能，就能控制VQ1 导通，此时由于 LO 输出为低，不能驱动 VQ2，因此 VQ2 处于关断状态，同时 Vp 也输入一个高电平，即 HO 为高，使 VQ4 处于导通状态，而此时 VQ3 处于关断状态，因此 T1VQ1R5（负载）VQ4GND 形成一个通路。反之，当Up、Vp 为低电平，Un、Vn 为高电平时，即电流的主要流向为 T1VQ3R5（负载）VQ2GND