功率驅(qū)動(dòng)器IR2110自舉電路分析及應(yīng)用

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽(yáng)110032）

1 引言

IR2110功率驅(qū)動(dòng)器在開(kāi)關(guān)電源和電機(jī)控制調(diào)速等需要中小功率能量轉(zhuǎn)換場(chǎng)合中使用廣泛[1]。IR2110可使電路系統(tǒng)體積得到有效精簡(jiǎn)、響應(yīng)速度快、可耐受600V電壓、驅(qū)動(dòng)輸出電流2A、帶有欠壓鎖定功能并且有端口可外接過(guò)流檢測(cè)電路[2]。其承受高壓的高邊外圍電路采用自舉方式，可有效減少電源路數(shù)[3]。但I(xiàn)R2110若設(shè)計(jì)疏于考慮，自舉外圍電路參數(shù)選取不當(dāng)容易影響系統(tǒng)工作穩(wěn)定性甚至損壞系統(tǒng)。因此結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)介紹其功能、自舉電路參數(shù)選擇和在電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用。

2 IR2110功能介紹

IR2110是一種高電壓的高速大功率MOSFET和IGBT驅(qū)動(dòng)器，帶有獨(dú)立的高邊和低邊輸出溝道[4]。具有專(zhuān)利高壓集成電路和可避免閂鎖CMOS技術(shù)的單片結(jié)構(gòu)。邏輯輸入兼容標(biāo)準(zhǔn)的CMOS和LSTTL輸出[5]。輸出驅(qū)動(dòng)器具有為了最小化驅(qū)動(dòng)器的交叉?zhèn)鲗?dǎo)所設(shè)計(jì)的死區(qū)時(shí)間。為了簡(jiǎn)化在高頻應(yīng)用中的使用方式，匹配了傳輸延遲。浮動(dòng)的溝道可用于驅(qū)動(dòng)N溝道功率MOSFET或者IGBT，在高邊結(jié)構(gòu)中操作電壓可達(dá)到600V。表1所示為IR2110引腳功能表。

3 自舉原理介紹

IR2110的自舉電路可提供電荷驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)功率管并提升相應(yīng)點(diǎn)的電壓，電路由一個(gè)自舉電容和二極管構(gòu)成，在結(jié)構(gòu)中對(duì)其有嚴(yán)格要求[6]。如圖1所示為驅(qū)動(dòng)芯片自舉電路示意圖，圖中由C1和D1構(gòu)成自舉電路。若元?dú)饧x取不當(dāng)會(huì)對(duì)輸出電壓產(chǎn)生影響，降低系統(tǒng)穩(wěn)定性。需根據(jù)應(yīng)用情況計(jì)算器件參數(shù)進(jìn)行合理選取。在圖1中C1為自舉電容，D1為自舉二極管，C2是低壓電源VCC（15V）的濾波電容。

表1 IR2110引腳功能表

當(dāng)LO為高電平，低邊功率管S2導(dǎo)通，半橋輸出為0V低電平。低電壓電源VCC通過(guò)通過(guò)自舉二極管D1向自舉電容C1充電。VCC、D1、C1和S2構(gòu)成充電回路，如圖2（a）所示。LO與HO是互補(bǔ)輸出，HO經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)乃绤^(qū)時(shí)間變?yōu)榈碗娖?，高邊功率管S1斷開(kāi)。

根據(jù)應(yīng)用電路中功率管參數(shù)，計(jì)算出C1大小后，若C1電壓達(dá)到VCC電壓，使LO輸出低電平，S2斷開(kāi)。此時(shí)與LO互補(bǔ)的HO經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)乃绤^(qū)時(shí)間變?yōu)楦唠娖剑瑑?nèi)MOS管VM1導(dǎo)通，VM2斷開(kāi)，C1電容電壓通過(guò)VM1和R1加在高邊功率管S1柵級(jí)上，S1導(dǎo)通，如圖2（b）所示。半橋輸出為高電平，此時(shí)VB端電壓為高壓VH與自舉電容電壓之和。

當(dāng)HO轉(zhuǎn)為低電平時(shí)，VM2導(dǎo)通，與HO互補(bǔ)的LO經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)乃绤^(qū)時(shí)間變?yōu)楦唠娖?，S2導(dǎo)通接地。S1柵極電荷經(jīng)過(guò)R1和VM2快速放電，S1關(guān)斷。VCC、D1、C1和S2再次構(gòu)成充電回路為自舉電容充電，循環(huán)往復(fù)。

圖1 IR2110自舉電路示意圖

圖2 自舉電容充放電回路示意圖

4 自舉電路參數(shù)分析

4.1 自舉電容值的計(jì)算

MOSFET工作在線(xiàn)性開(kāi)關(guān)狀態(tài)，需要給對(duì)應(yīng)的柵極提供一定能量保證其完成高頻率的通斷工作。假設(shè)功率管導(dǎo)通后，C1兩端電壓與功率管完全導(dǎo)通電壓（10V）相比要高，C1充電回路上共有1.5V的壓降（包括自舉二極管正向壓降）。并假設(shè)一半的柵極電壓由于漏電流產(chǎn)生壓降（柵極閾值VTH一般為3-5V）。則自舉電容值可表示為：

其中Qg為功率管完全導(dǎo)通需要的電荷量。如IRF2807的柵電荷是160nC（由其電特性表得出），低邊電源電壓VCC為15V，則有：

這樣自舉電容最小值約為0.1μF，應(yīng)用中也可以選擇大一些的電容值如0.22μF，需注意要選擇耐壓值高的器件。

4.2 高邊功率管導(dǎo)通時(shí)間ton(max)與ton(min)

高邊功率管S1在整個(gè)導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)，自舉電容都要符合式 (1)的關(guān)系式來(lái)保證S1的柵級(jí)電荷量足夠。場(chǎng)效應(yīng)管的柵極輸入阻抗很高，假設(shè)柵極在電源電壓為15V時(shí)的漏電流為15μA，此漏電流是從自舉電容中抽出的。若以文中的C1參數(shù)計(jì)算：

其中Qg為功率管柵電荷，ΔU為C1充電時(shí)兩端電壓，Qa為C1上存儲(chǔ)的可用電荷，ΔQ為功率管柵極放電后C1上的過(guò)剩電荷量，ΔUC為功率管柵極放電后C1兩端電壓。R是S1柵極輸入阻抗為1 MΩ，即可得出 ton(max)為 53.8ms。

在C1的充電回路上，功率管中的分布電感會(huì)對(duì)充電速度產(chǎn)生影響。低邊S2管的ton(min)應(yīng)保證C1上充滿(mǎn)一定的電荷量QC1，QC1應(yīng)滿(mǎn)足功率管S1柵級(jí)所需要的電荷加上其漏電流損失的電荷量。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)要綜合考慮，在高占空比的場(chǎng)合C1應(yīng)選小一些，不然在一定時(shí)間內(nèi)不能充滿(mǎn)，但也不能過(guò)小。

4.3 自舉二極管

在自舉電路中的D1應(yīng)在高邊S1導(dǎo)通時(shí)承受輸入的高壓VH起到阻斷作用，并降低C1到低電源電壓VCC的反向電荷，選擇FRD型二級(jí)管，其反向漏電流越小可降低電荷損失[7]。D1上流過(guò)的電流IF可表示為：

其中Qg為功率管柵電荷，f為開(kāi)關(guān)頻率。D1耐壓值的選取應(yīng)按照功率管的要求決定，最大恢復(fù)時(shí)間要不大于100ns。

5 IR2110應(yīng)用示例

圖3所示為直流電調(diào)速系統(tǒng)框圖，由一個(gè)可變電阻產(chǎn)生速度電壓信號(hào)，由PWM系統(tǒng)產(chǎn)生兩路脈沖信號(hào)控制驅(qū)動(dòng)器，增加光耦隔離阻斷高低壓之間的干擾[8]。傳感器將電機(jī)轉(zhuǎn)速傳遞給F/V變換器將電壓信號(hào)反饋給控制器實(shí)現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。

圖3 電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)中選擇兩片IR2110驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，電路圖如圖4所示。選擇IRF450組成全橋驅(qū)動(dòng)電機(jī)，PWM控制器輸出的兩路脈沖信號(hào)分別傳送給HIN和LIN，四個(gè)功率管按照電平脈沖導(dǎo)通關(guān)斷完成電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。

圖4 IR2110驅(qū)動(dòng)電路

低電源電壓為15V，根據(jù)自舉電路參數(shù)的分析，自舉二極管選擇FR307，其耐壓值高于高邊電壓峰值[9]。自舉電容選擇0.1μF獨(dú)石電容，其容量穩(wěn)定精確、體積小、可靠性高且頻率和溫度特性十分穩(wěn)定[10]。自舉電容上的電壓要大于2110欠壓閉鎖電壓值的最大值。在低邊電源電壓和公共端間、邏輯電源電壓和邏輯電路地間加入旁路電容，去掉電源中的高頻擾動(dòng)。2110低邊和高邊輸出阻抗小，與此連接的功率管會(huì)快速的開(kāi)啟和關(guān)斷，由于速度過(guò)快可能產(chǎn)生功率管輸出電壓的振蕩或過(guò)沖影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。為解決上述問(wèn)題在HO和LO與功率管之間加入22Ω電阻和反向二極管作為過(guò)沖保護(hù)。

6 結(jié)束語(yǔ)

IR2110是一款性能優(yōu)良的驅(qū)動(dòng)芯片，其響應(yīng)速度快、可耐受600V電壓。其承受高壓的高邊外圍電路采用自舉方式，可有效減少電源路數(shù)。在開(kāi)關(guān)電源和電機(jī)控制調(diào)速等需要中小功率能量轉(zhuǎn)換場(chǎng)合中使用廣泛。文中詳細(xì)介紹了高邊自舉結(jié)構(gòu)的工作過(guò)程。得出自舉電容最小值為0.1μF，若MOS管選取IRF2807時(shí)得出最大導(dǎo)通時(shí)間為53.8ms。并給出自舉二極管的選擇條件。舉例IR2110在直流電機(jī)調(diào)速中的應(yīng)用。