高壓懸浮驅(qū)動電路IR2110的特點及拓展應(yīng)用技術(shù)
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自舉二極管是一個重要的自舉器件。它應(yīng)在高端器件開通時能阻斷直流干線上的高壓，并且應(yīng)當(dāng)是快恢復(fù)二極管，以減小從自舉電容向電源Vcc的回饋電荷。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。
如果電容需要長期貯存電荷，則高溫反向漏電流十分重要。二極管耐壓選擇可按后級功率MOSEFT管的要求來定，其最大反向恢復(fù)時間trr要小于等于100 ns，二極管所承受的電流IF=Qbsf。
3 IR2110的擴(kuò)展應(yīng)用
3.1 高壓側(cè)懸浮驅(qū)動的自舉原理
在圖2所示的IR2110用于驅(qū)動半橋的電路圖中，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)。那么，HIN為高電平時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，從而使Cgc1被充電。此時，VC1可等效為一個電壓源。而當(dāng)HIN為低電平時，VM2開通，VM1斷開，S1柵電荷經(jīng)Rg1、VM2迅速釋放，使S1關(guān)斷。然后經(jīng)短暫的死區(qū)時間(td)之后，LIN為高電平，S2開通，VCC經(jīng)VD1，S2給C1充電，并迅速為C1補(bǔ)充能量，并如此循環(huán)反復(fù)。
由此可知，自舉電路必須在IR2110輸人信號不斷的高低電平變化中，且自舉電容反復(fù)充、放電時，才能起到正常的自舉作用，而當(dāng)IR2110的輸人信號是直流電平信號時，自舉電容將不能完成電荷的儲存，即不能得到正常的充電，因此也不能為高端二極管提供驅(qū)動信號。如果不解決IR2110此功能的不足，則當(dāng)電機(jī)負(fù)載實際工作在占空比為1，負(fù)載兩端電壓為零時，電機(jī)將停止工作；同時也會給功率開關(guān)管帶來很大的電流變化率，從而影響功率管的使用壽命和長期可靠性。因此，在工作中應(yīng)采取下面兩種技術(shù)措施。
(1)輸入幅度鑒別電路的應(yīng)用
為了克服上述不足，可在工作中設(shè)計輸入幅度鑒別電路，其電路如圖3所示。該電路不僅可保證在輸入信號的線性區(qū)內(nèi)，輸出調(diào)寬方波信號，而且，當(dāng)輸入信號在線性區(qū)外時，電路也可以輸出固定的占空比信號，這樣，即可保證電機(jī)在線性區(qū)外也能正常轉(zhuǎn)動，同時也保證了輸出負(fù)載電流不會產(chǎn)生大的突變。
(2)電荷泵電路
當(dāng)電路輸入100％占空比信號時，其核心振蕩電路CD4093將產(chǎn)生一定頻率的方波信號。當(dāng)此方波信號為低電平時，功率電源+Vs通過D5給儲能電容C3充電；而當(dāng)此方波信號為高電平時，C3則通過D4給自舉電容C2充電，以維持自舉電容的能量，最終使電路在100％占空比輸入信號時，由H橋輸出100％的占空比信號，同時也保證輸出電流的連續(xù)性。圖4所示為電荷泵電路圖。
3.2防直通導(dǎo)通延時電路
對H橋驅(qū)動電路上下橋臂功率晶體管加互補(bǔ)信號后，由于帶載情況下，晶體管的關(guān)斷時間通常比開通時間長，這樣，當(dāng)下橋臂晶體管未及時關(guān)斷而上橋臂搶先開通時，就會出現(xiàn)所謂“橋臂直通”故障。這樣會使橋臂直通時電流迅速變大，從而造成功率開關(guān)損壞。所以設(shè)置導(dǎo)通延時及死區(qū)時間必不可少。IR2110具有一定的死區(qū)時間，其大小為10 ns且不可外調(diào)，而實際使用中，MOSEFT管的關(guān)斷時間比開通時間有時還要比10ns大，此時就需要外加延時電路來加大死區(qū)時間，以防止電路直通，圖5給出了一種導(dǎo)通延時電路及其波形。
導(dǎo)通延時也可以通過RC時間常數(shù)來設(shè)置。對GTR，可按0.2μs／A來設(shè)置；而對MOSFET，則可按0.1～0.2μs來設(shè)計，且與電流無關(guān)；IGBT可按2～5μs來設(shè)計。假如GTR的f為5 kHz旦雙極性工作，調(diào)寬區(qū)域為T／2=1／10=0.1 ms，此時若I為100 A，則△t=0.2×100=20μs。這樣PWM調(diào)制分辨率的最大可能性為：
這說明死區(qū)時間占據(jù)了調(diào)制周期的1／5，顯然是不可行的。所以，對于100 A的電機(jī)系統(tǒng)，GTR的開關(guān)頻率必須低于5 kHz。例如，2 kHz以下，此時的分辨率可達(dá)12.5左右。
4結(jié)束語
IR2110是一種性能比較優(yōu)良的驅(qū)動集成電路，它的自舉懸浮驅(qū)動電源可同時驅(qū)動同一橋臂的上、下兩個開關(guān)器件，驅(qū)動電壓高達(dá)500 V，工作頻率為500 kHz，并具有電源欠壓保護(hù)關(guān)斷邏輯。IR2110的輸出用圖騰柱結(jié)構(gòu)，驅(qū)動峰值電流為2 A，同時兩通道還設(shè)有低壓延時封鎖(50ns)。此外，芯片還有一個封鎖兩路輸出的保護(hù)端SD，在SD輸入高電平時，兩路輸出均被封鎖。IR2110的這些優(yōu)點給實際系統(tǒng)設(shè)計帶來了極大方便，特別是自舉懸浮驅(qū)動電源大大簡化了驅(qū)動電源設(shè)計，因為只用一路電源即可完成上下橋臂兩個功率開關(guān)器件的驅(qū)動。但與其它驅(qū)動集成電路相比，IR2110的保護(hù)功能略顯不足，死區(qū)時間不可外調(diào)；電路工作在100％占空比信號輸入時，也需要外接電荷泵電路來維持自舉電容的足夠能量。不過這些不足在實際應(yīng)用中都可以通過本文所述的拓展應(yīng)用電路來進(jìn)行完善和補(bǔ)充。
本文作者已將上述擴(kuò)展應(yīng)用電路應(yīng)用于仿美國APEX公司SAxx系列產(chǎn)品的應(yīng)用研制中，而且獲得了較好的效果，研制的產(chǎn)品已通過全部的鑒定檢驗，并通過了國防科工委組織的鑒定。該成果可在航天和兵器系統(tǒng)中，取代APEX公司的同類產(chǎn)品，而且系統(tǒng)工作正常，用戶比較滿意。
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