高壓懸浮驅(qū)動(dòng)器IR2110的原理和擴(kuò)展應(yīng)用
摘要:介紹了IR2110的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和特點(diǎn),高壓側(cè)懸浮驅(qū)動(dòng)的原理和自舉元件的設(shè)計(jì)。針對(duì)IR2110的不足提出了幾種擴(kuò)展應(yīng)用的方案,并給出了應(yīng)用實(shí)例。
關(guān)鍵詞:懸浮驅(qū)動(dòng);柵電荷;自舉;絕緣門極
1引言
在功率變換裝置中,根據(jù)主電路的結(jié)構(gòu),其功率開關(guān)器件一般采用直接驅(qū)動(dòng)和隔離驅(qū)動(dòng)兩種方式。采用隔離驅(qū)動(dòng)方式時(shí)需要將多路驅(qū)動(dòng)電路、控制電路、主電路互相隔離,以免引起災(zāi)難性的后果。隔離驅(qū)動(dòng)可分為電磁隔離和光電隔離兩種方式。
光電隔離具有體積小,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),但存在共模抑制能力差,傳輸速度慢的缺點(diǎn)??焖俟怦畹乃俣纫矁H幾十kHz。
電磁隔離用脈沖變壓器作為隔離元件,具有響應(yīng)速度快(脈沖的前沿和后沿),原副邊的絕緣強(qiáng)度高,dv/dt共模干擾抑制能力強(qiáng)。但信號(hào)的最大傳輸寬度受磁飽和特性的限制,因而信號(hào)的頂部不易傳輸。而且最大占空比被限制在50%。而且信號(hào)的最小寬度又受磁化電流所限。脈沖變壓器體積大,笨重,加工復(fù)雜。
凡是隔離驅(qū)動(dòng)方式,每路驅(qū)動(dòng)都要一組輔助電源,若是三相橋式變換器,則需要六組,而且還要互相懸浮,增加了電路的復(fù)雜性。隨著驅(qū)動(dòng)技術(shù)的不斷成熟,已有多種集成厚膜驅(qū)動(dòng)器推出。如EXB840/841、EXB850/851、M57959L/AL、M57962L/AL、HR065等等,它們均采用的是光耦隔離,仍受上述缺點(diǎn)的限制。
美國(guó)IR公司生產(chǎn)的IR2110驅(qū)動(dòng)器。它兼有光耦隔離(體積?。┖碗姶鸥綦x(速度快)的優(yōu)點(diǎn),是中小功率變換裝置中驅(qū)動(dòng)器件的首選品種。
2IR2110內(nèi)部結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)
IR2110采用HVIC和閂鎖抗干擾CMOS制造工藝,DIP14腳封裝。具有獨(dú)立的低端和高端輸入通道;懸浮電源采用自舉電路,其高端工作電壓可達(dá)500V,dv/dt=±50V/ns,15V下靜態(tài)功耗僅116mW;輸出的電源端(腳3,即功率器件的柵極驅(qū)動(dòng)電壓)電壓范圍10~20V;邏輯電源電壓范圍(腳9)5~15V,可方便地與TTL,CMOS電平相匹配,而且邏輯電源地和功率地之間允許有±5V的偏移量;工作頻率高,可達(dá)500kHz;開通、關(guān)斷延遲小,分別為120ns和94ns;圖騰柱輸出峰值電流為2A。
IR2110的內(nèi)部功能框圖如圖1所示。由三個(gè)部分組成:邏輯輸入,電平平移及輸出保護(hù)。如上所述IR2110的特點(diǎn),可以為裝置的設(shè)計(jì)帶來許多方便。尤其是高端懸浮自舉電源的成功設(shè)計(jì),可以大大減少驅(qū)
圖1IR2110的內(nèi)部功能框圖
圖2半橋驅(qū)動(dòng)電路
動(dòng)電源的數(shù)目,三相橋式變換器,僅用一組電源即可。
3高壓側(cè)懸浮驅(qū)動(dòng)的自舉原理
IR2110用于驅(qū)動(dòng)半橋的電路如圖2所示。圖中C1、VD1分別為自舉電容和二極管,C2為VCC的濾波電容。假定在S1關(guān)斷期間C1已充到足夠的電壓(VC1≈VCC)。當(dāng)HIN為高電平時(shí)VM1開通,VM2關(guān)斷,VC1加到S1的門極和發(fā)射極之間,C1通過VM1,Rg1和S1門極柵極電容Cgc1放電,Cgc1被充電。此時(shí)VC1可等效為一個(gè)電壓源。當(dāng)HIN為低電平時(shí),VM2開通,VM1斷開,S1柵電荷經(jīng)Rg1、VM2迅速釋放,S1關(guān)斷。經(jīng)短暫的死區(qū)時(shí)間(td)之后,LIN為高電平,S2開通,VCC經(jīng)VD1,S2給C1充電,迅速為C1補(bǔ)充能量。如此循環(huán)反復(fù)。
4自舉元器件的分析與設(shè)計(jì)
如圖2所示自舉二極管(VD1)和電容(C1)是IR2110在PWM應(yīng)用時(shí)需要嚴(yán)格挑選和設(shè)計(jì)的元器件,應(yīng)根據(jù)一定的規(guī)則進(jìn)行計(jì)算分析。在電路實(shí)驗(yàn)時(shí)進(jìn)行一些調(diào)整,使電路工作在最佳狀態(tài)。
4.1自舉電容的設(shè)計(jì)
IGBT和PM(POWERMOSFET)具有相似的門極特性。開通時(shí),需要在極短的時(shí)間內(nèi)向門極提供足夠的柵電荷。假定在器件開通后,自舉電容兩端電壓比器件充分導(dǎo)通所需要的電壓(10V,高壓側(cè)鎖定電壓為8.7/8.3V)要高;再假定在自舉電容充電路徑上有1.5V的壓降(包括VD1的正向壓降);最后假定有1/2的柵電壓(柵極門檻電壓VTH通常3~5V)因泄漏電流引起電壓降。綜合上述條件,此時(shí)對(duì)應(yīng)的自舉電容可用下式表示:C1=(1)
工程應(yīng)用則取C1>2Qg/(VCC-10-1.5)。
例如FUJI50A/600VIGBT充分導(dǎo)通時(shí)所需要的柵電荷Qg=250nC(可由特性曲線查得),VCC=15V,那么
C1=2×250×10-9/(15-10-1.5)=1.4×10-7F
可取C1=0.22μF或更大一點(diǎn)的,且耐壓大于35V的鉭電容。
4.2懸浮驅(qū)動(dòng)的最寬導(dǎo)通時(shí)間ton(max)當(dāng)最長(zhǎng)的導(dǎo)通時(shí)間結(jié)束時(shí),功率器件的門極電壓Vge仍必須足夠高,即必須滿足式(1)的約束關(guān)系。不論P(yáng)M還是IGBT,因?yàn)榻^緣門極輸入阻抗比較高,假設(shè)柵電容(Cge)充電后,在VCC=15V時(shí)有15μA的漏電流(IgQs)從C1中抽取。仍以4.1中設(shè)計(jì)的參數(shù)為例,Qg=250nC,ΔU=VCC-10-1.5=3.5V,Qavail=ΔU×C=3.5×0.22=0.77μC。則過剩電荷ΔQ=0.77-0.25=0.52μC,ΔUc=ΔQ/C=0.52/0.22=2.36V,可得Uc=10+2.36=12.36V。由U=Uc及柵極輸入阻抗R===1MΩ可求出t(即ton(max)),由===1.236可求出
ton(max)=106×0.22×10-6ln1.236=46.6ms
4.3懸浮驅(qū)動(dòng)的最窄導(dǎo)通時(shí)間ton(min)
在自舉電容的充電路徑上,分布電感影響了充電的速率。下管的最窄導(dǎo)通時(shí)間應(yīng)保證自舉電容能夠充足夠的電荷,以滿足Cge所需要的電荷量再加上功率器件穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通時(shí)漏電流所失去的電荷量。因此從最窄導(dǎo)通時(shí)間ton(min)考慮,自舉電容應(yīng)足夠小。
綜上所述,在選擇自舉電容大小時(shí)應(yīng)綜合考慮,既不能太大影響窄脈沖的驅(qū)動(dòng)性能,也不能太
高壓懸浮驅(qū)動(dòng)器IR2110的原理和擴(kuò)展應(yīng)用
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圖3具有負(fù)偏壓的IR2110驅(qū)動(dòng)電路
圖4簡(jiǎn)單負(fù)偏壓產(chǎn)生電路
小而影響寬脈沖的驅(qū)動(dòng)要求。從功率器件的工作頻率、開關(guān)速度、門極特性進(jìn)行選擇,估算后經(jīng)調(diào)試而定。
4.4自舉二極管的選擇
自舉二極管是一個(gè)重要的自舉器件,它應(yīng)能阻斷直流干線上的高壓,二極管承受的電流是柵極電荷與開關(guān)頻率之積。為了減少電荷損失,應(yīng)選擇反向漏電流小的快恢復(fù)二極管。 5IR2110的擴(kuò)展應(yīng)用
單從驅(qū)動(dòng)PM和IGBT的角度考慮,均不需要柵極負(fù)偏置。Vge=0,完全可以保證器件正常關(guān)斷。但在有些情況下,負(fù)偏置是必要的。這是因?yàn)楫?dāng)器件關(guān)斷時(shí),其集電極-發(fā)射極之間的dv/dt過高時(shí),將通過集電極-柵極之間的(密勒)電容以尖脈沖的形式向柵極饋送電荷,使柵極電壓升高,而PM,IGBT的門檻電壓通常是3~5V左右,一旦尖脈沖的高度和寬度達(dá)到一定的水平,功率器件將會(huì)誤導(dǎo)通,造成災(zāi)難性的后果。而采用柵極負(fù)偏置,可以較好地解決這個(gè)問題。 5.1具有負(fù)偏壓的IR2110驅(qū)動(dòng)電路
電路如圖3所示。高壓側(cè)和低壓側(cè)的電路完全相同。每個(gè)通道分別用了兩只N溝道和兩只P溝道的MOSFET。VD2、C2、R2為VM2的柵極耦合電路,C3、C4、VD3、VD4用于將H0(腳7)輸出的單極性的驅(qū)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為負(fù)的直流電壓。當(dāng)VCC=15V時(shí),C4兩端可獲得約10V的負(fù)壓。
5.2簡(jiǎn)單負(fù)偏壓IR2110驅(qū)動(dòng)電路
電路如圖4所示。高壓側(cè)的負(fù)偏壓由C1,VD1,R1產(chǎn)生,R1的平均電流應(yīng)不小于1mA。不同的HV可選擇不同的電阻值,并適當(dāng)考慮其功耗。低壓側(cè)由VCC,R2,C2,VD2產(chǎn)生。兩路負(fù)偏置約為-4.7V??蛇x擇小電流的齊納二極管。
在圖3所示電路中,VM1~VM4如選擇合適的MOSFET,也能同時(shí)達(dá)到擴(kuò)展電流的目的,收到產(chǎn)生負(fù)偏置和擴(kuò)展電流二合一的功能。
6應(yīng)用實(shí)例
一臺(tái)2kW,三相400Hz,115V/200V的變頻電源。單相50Hz,220V輸入,逆變橋直流干線HV≈300V,開關(guān)頻率fs=13.2kHz。功率模塊為6MBI25L060,用三片IR2110作為驅(qū)動(dòng)電路,共用一組15V的電源。主電路如圖5所示??刂齐娐酚?0C196MC構(gòu)成的最小系統(tǒng)組成。圖6為IR2110高壓側(cè)輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào),圖7為其中一相的輸出波形。
7結(jié)語(yǔ)
IR2110是一種性能比較優(yōu)良的驅(qū)動(dòng)集成電路。無需擴(kuò)展可直接用于小功率的變換器中,使電路更加緊湊。在應(yīng)用中如需擴(kuò)展,附加硬件成本也不高,空間增加不大。然而其內(nèi)部高側(cè)和低側(cè)通道
圖5應(yīng)用實(shí)例
圖6IR2110高壓側(cè)輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)
圖7變頻電源其中一相輸出波形(50V/DIV)
分別有欠壓封鎖保護(hù)功能,但與其它驅(qū)動(dòng)集成電路相比,保護(hù)功能略顯不足,可以通過其它保護(hù)措施加以彌補(bǔ)。
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