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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)高時(shí)，將通過(guò)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(wèn)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。控制電路由80C196MC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(wú)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(guò)其它保護(hù)措施加以彌補(bǔ)。

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