基于IR21844的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

引 言

　　電動(dòng)機(jī)應(yīng)用的日益廣泛，使其驅(qū)動(dòng)控制的研究也越來越成為人們研究的熱點(diǎn)。隨著功率VMOS器件以及絕緣柵雙極晶體管(IGBT)器件的廣泛運(yùn)用，更多場(chǎng)合使用VMOS器件或IGBT器件組成橋式電路，例如開關(guān)電源半橋變換器或全橋變換器、直流無刷電機(jī)的橋式驅(qū)動(dòng)電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，以及逆變器的逆變電路。IR(Inter—national Rectifier)公司提供了多種橋式驅(qū)動(dòng)集成電路芯片，本文介紹了IR21844功率驅(qū)動(dòng)集成芯片在直流無刷電機(jī)的橋式驅(qū)動(dòng)電路中的應(yīng)用。該芯片是一種雙通道、柵極驅(qū)動(dòng)、高壓高速功率器件的單片式集成驅(qū)動(dòng)模塊，在芯片中采用了高度集成的電平轉(zhuǎn)換技術(shù)，大大簡(jiǎn)化了邏輯電路對(duì)功率器件的控制要求，同時(shí)提高了驅(qū)動(dòng)電路的可靠性。尤其是上管采用外部自舉電容上電，使得驅(qū)動(dòng)電源數(shù)目較其他IC驅(qū)動(dòng)大大減少。對(duì)于典型的6管構(gòu)成的三相橋式逆變器，采用3片IR21844驅(qū)動(dòng)3個(gè)橋臂，僅需1路10～20 V電源。這樣，在工程上大大減少了控制變壓器的體積和電源數(shù)目，降低了產(chǎn)品成本，提高了系統(tǒng)可靠性。

　　1 IR21844主要特點(diǎn)及技術(shù)參數(shù)

　　IR21844集成驅(qū)動(dòng)芯片與目前應(yīng)用的集成驅(qū)動(dòng)芯片相比，具有以下特點(diǎn)：

• 　　該芯片為標(biāo)準(zhǔn)14引腳單片式結(jié)構(gòu)，圖1為其引腳分布圖；
• 　　設(shè)有懸浮截獲電源可自舉運(yùn)行，其高端工作電壓最高達(dá)600 V，抗du／dt干擾能力為50 V／ns，15 V時(shí)靜態(tài)功耗為1．6 W；
• 　　輸出柵極驅(qū)動(dòng)電壓范圍較寬，為10～20 V；
• 　　IR21844采用CMOS工藝制作，邏輯電路和功率電路共用一個(gè)電源，電壓范圍為10～20 V，適應(yīng)TTL或CMOS邏輯信號(hào)輸入；
• 　　采用CMOS施密特觸發(fā)輸入，以提高電路抗干擾能力；
• 　　具有獨(dú)立的高端和低端2個(gè)輸出通道，兩路通道均帶有滯后欠壓鎖定功能；
• 　　容許邏輯電路參考地(VSS)與功率電路參考地(COM)之間有一5～+5 V的偏移量；
• 　　死區(qū)時(shí)間可調(diào)。

　　圖1中，引腳1(IN)是邏輯輸入控制端；引腳6和12是2路獨(dú)立的輸出，分別是L0(低端輸出)和H0(高端輸出)；引腳7和13分別是VCC(低端電源電壓)和VB(高端浮置電源電壓)；引腳5(COM)是低端電源公共端；引腳11和3分別是VS(高端浮置電源公共端)和VSS(邏輯電路接地端)；引腳2(SD)是輸出關(guān)閉控制端；引腳4(DT)是可調(diào)的死區(qū)時(shí)間輸入端。

　　其推薦典型工作參數(shù)如表1所列，動(dòng)態(tài)傳輸延遲時(shí)間參數(shù)如表2所列。

　　2 典型應(yīng)用電路

　　圖2為IR21844的典型應(yīng)用電路。Vcc接電源端，為邏輯部件和功率器件供電；IN端接輸入控制信號(hào)，一般接PWM信號(hào)；輸出端HO和LO的波形分別與IN端輸入波形邏輯相同和相反，幅值有一定的放大(10～20 V)，輸入／輸出時(shí)序圖如圖3所示；SD端接低電平時(shí)，H0和LO正常輸出，接高電平時(shí)，2個(gè)輸出端被封鎖；DT為死區(qū)時(shí)間調(diào)整端，因?yàn)闃蚴诫娐吠粯蚵返纳舷鹿懿荒芡瑫r(shí)導(dǎo)通，否則會(huì)造成管子短路，因此需要一個(gè)死區(qū)時(shí)間。由于H0和LO的輸出邏輯相反，所以從邏輯上來說，不會(huì)造成直通，但是在換向的瞬間仍有可能造成直通。可在DT端外接一個(gè)電阻Rdt，通過調(diào)整該電阻的阻值就可以調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)間；同時(shí)，開通延時(shí)時(shí)間為680 ns，大于關(guān)斷延時(shí)時(shí)間的270 ns，從而避免橋路的直通，死區(qū)時(shí)間典型值為5μs(如表2所列)。

　　圖2中，C2為自舉電容。在T2導(dǎo)通、T1關(guān)斷期間，VCC經(jīng)D1、C1、負(fù)載、T2給C1充電，以確保當(dāng)T2關(guān)斷、T1導(dǎo)通時(shí)，T1管的柵極靠Cl上足夠的儲(chǔ)能來驅(qū)動(dòng)。這就是高端的自舉供電。若負(fù)載阻抗較大，C2經(jīng)負(fù)載降壓充電較慢，使得T2關(guān)斷、T1導(dǎo)通，C2上的電壓仍充電不到自舉電壓8．3 V以上，那么輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)會(huì)因欠壓被片內(nèi)邏輯封鎖，T1就無法正常工作。為此，C2的選擇就顯得很重要，一般用1個(gè)大電容和1個(gè)小電容并聯(lián)使用，在頻率為20 kHz左右的工作狀態(tài)下，選用1．0μF和0．1μF電容并聯(lián)。并聯(lián)高頻小電容用來吸收高頻毛刺干擾電壓。驅(qū)動(dòng)大容量的IGBT時(shí)，在工作頻率較低的情況下，要注意自舉電容電壓穩(wěn)定性問題，上管的驅(qū)動(dòng)波形峰頂如果出現(xiàn)下降的現(xiàn)象，則要選取大的電容。

顯然每個(gè)周期T1開關(guān)一次，C2就通過T2開關(guān)充電一次，因此自舉電容C2的充電還與輸入信號(hào)IN的PWM脈沖頻率和脈沖寬度有關(guān)。當(dāng)PWM工作頻率過低時(shí)，若T1導(dǎo)通脈寬較窄，自舉電壓8．3 V容易滿足；反之，無法實(shí)現(xiàn)自舉。因此，要合理設(shè)置PWM開關(guān)頻率和占空比調(diào)節(jié)范圍，C2的容量選擇考慮如下幾點(diǎn)：

　?、貾WM開關(guān)頻率高，C2應(yīng)選小電容。

　?、诒M量使自舉上電回路不經(jīng)大阻抗負(fù)載，否則應(yīng)為C2充電提供快速充電通路。

　　③對(duì)于占空比調(diào)節(jié)較大的場(chǎng)合，特別是在高占空比時(shí)，T2導(dǎo)通時(shí)間較短，C2應(yīng)選小電容。否則，在有限時(shí)間內(nèi)無法達(dá)到自舉電壓。

　?、蹸2的選擇應(yīng)綜合考慮PWM變化的各種情況，監(jiān)測(cè)H()、VS腳波形進(jìn)行調(diào)試是最好的方法。

　　根據(jù)表1，VB高于VS電壓的最大值為20 V，為了避免VB過電壓損壞IR21844，電路中增加了穩(wěn)壓二極管D1。電路中D2的功能是防止T1導(dǎo)通時(shí)高電壓串入VCC端損壞該芯片，因此其耐壓值必須高于總線峰值電壓，故采用功耗小的快恢復(fù)二極管。與VCC端相連的電容C3是去耦電容，用于補(bǔ)償電源線的電感。

　　3 場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路的改進(jìn)

　　如圖2所示，典型應(yīng)用電路是由IR21844驅(qū)動(dòng)2個(gè)N溝道MOSFET管或IGBT組成的半橋驅(qū)動(dòng)電路。固定的柵極參考輸出通道(L0)用于下端連接的功率場(chǎng)效應(yīng)管T2，浮動(dòng)的柵極輸出通道(HO)用于上端連接的功率場(chǎng)效應(yīng)管T1。

　　以驅(qū)動(dòng)N溝道MOSFET管為例來介紹。功率MOS—FET是電壓型驅(qū)動(dòng)器件，沒有少數(shù)載流子的存儲(chǔ)效應(yīng)，輸入阻抗高，因而開關(guān)速度可以很高，驅(qū)動(dòng)功率小，電路簡(jiǎn)單。但功率MOSFET的極間電容較大，其等效電路如圖4所示。

　　輸入電容Ciss、輸出電容Coss和反饋電容Crss與極間電容的關(guān)系可表示為：

　　IR21844不能產(chǎn)生負(fù)偏壓，如果用于驅(qū)動(dòng)橋式電路，由于極間電容的存在，在開通和關(guān)斷時(shí)刻，柵漏極間的電容CGD有充放電電流，容易在柵極上產(chǎn)生干擾。針對(duì)這一不足，可以在柵極限流電阻(R1和R2)上分別反并聯(lián)一個(gè)二極管(D3和D4)來解決，該二極管可以加快極間電容上的電荷的放電速度。

　　功率器件的柵源極的驅(qū)動(dòng)電壓一般為CM()S電平(5～20 V)，因此要在柵極增加保護(hù)電路。電路中穩(wěn)壓二極管D5、D6限制了所加?xùn)艠O電壓，電阻R1、R2進(jìn)行分壓，同時(shí)也降低了柵極電壓。

　　功率器件T1、T2在開關(guān)過程中會(huì)產(chǎn)生浪涌電壓，這些浪涌電壓會(huì)損壞元件，所以電路中采用穩(wěn)壓二極管D5、D6鉗位浪涌電壓。

　　4 擴(kuò)展與總結(jié)

　　以上介紹的是IR21844用于驅(qū)動(dòng)單相電路時(shí)的用法和注意事項(xiàng)，同樣，該芯片完全可以用于驅(qū)動(dòng)兩相、三相或者多相電路。可將該電路進(jìn)行復(fù)制，當(dāng)然一些參數(shù)的確定還需要按照本文的分析和具體的實(shí)際情況而定。

　　由于該芯片只有一路輸入，兩路互補(bǔ)輸出，非常適合用于驅(qū)動(dòng)橋式電路；并且它的死區(qū)時(shí)間可以靈活調(diào)節(jié)，輸出鎖定端可以靈活用于電流的閉環(huán)控制，給控制的沒計(jì)帶來了很大的方便，因此在中小型功率領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛。