電機驅動控制系統(tǒng)設計

　　1 IR21844主要特點及技術參數(shù)

　　IR21844集成驅動芯片與目前應用的集成驅動芯片相比，具有以下特點：

　　· 　　該芯片為標準14引腳單片式結構，圖1為其引腳分布圖;

　　· 　　設有懸浮截獲電源可自舉運行，其高端工作電壓最高達600 V，抗du/dt干擾能力為50 V/ns，15 V時靜態(tài)功耗為1.6 W;

　　· 　　輸出柵極驅動電壓范圍較寬，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電源，電壓范圍為10～20 V，適應TTL或CMOS邏輯信號輸入;

　　· 　　采用CMOS施密特觸發(fā)輸入，以提高電路抗干擾能力;

　　· 　　具有獨立的高端和低端2個輸出通道，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)時間可調。

　　圖1中，引腳1(IN)是邏輯輸入控制端;引腳6和12是2路獨立的輸出，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)是輸出關閉控制端;引腳4(DT)是可調的死區(qū)時間輸入端。

　　其推薦典型工作參數(shù)如表1所列，動態(tài)傳輸延遲時間參數(shù)如表2所列。

　　2 典型應用電路

　　圖2為IR21844的典型應用電路。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，一般接PWM信號;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/輸出時序圖如圖3所示;SD端接低電平時，H0和LO正常輸出，接高電平時，2個輸出端被封鎖;DT為死區(qū)時間調整端，因為橋式電路同一橋路的上下管不能同時導通，否則會造成管子短路，因此需要一個死區(qū)時間。由于H0和LO的輸出邏輯相反，所以從邏輯上來說，不會造成直通，但是在換向的瞬間仍有可能造成直通?？稍贒T端外接一個電阻Rdt，通過調整該電阻的阻值就可以調節(jié)死區(qū)時間;同時，開通延時時間為680 ns，大于關斷延時時間的270 ns，從而避免橋路的直通，死區(qū)時間典型值為5μs(如表2所列)。

　　圖2中，C2為自舉電容。在T2導通、T1關斷期間，VCC經(jīng)D1、C1、負載、T2給C1充電，以確保當T2關斷、T1導通時，T1管的柵極靠Cl上足夠的儲能來驅動。這就是高端的自舉供電。若負載阻抗較大，C2經(jīng)負載降壓充電較慢，使得T2關斷、T1導通，C2上的電壓仍充電不到自舉電壓8.3 V以上，那么輸出驅動信號會因欠壓被片內邏輯封鎖，T1就無法正常工作。為此，C2的選擇就顯得很重要，一般用1個大電容和1個小電容并聯(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。驅動大容量的IGBT時，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，上管的驅動波形峰頂如果出現(xiàn)下降的現(xiàn)象，則要選取大的電容。

　　顯然每個周期T1開關一次，C2就通過T2開關充電一次，因此自舉電容C2的充電還與輸入信號IN的PWM脈沖頻率和脈沖寬度有關。當PWM工作頻率過低時，若T1導通脈寬較窄，自舉電壓8.3 V容易滿足;反之，無法實現(xiàn)自舉。因此，要合理設置PWM開關頻率和占空比調節(jié)范圍，C2的容量選擇考慮如下幾點：

　?、貾WM開關頻率高，C2應選小電容。

　　②盡量使自舉上電回路不經(jīng)大阻抗負載，否則應為C2充電提供快速充電通路。

　?、蹖τ谡伎毡日{節(jié)較大的場合，特別是在高占空比時，T2導通時間較短，C2應選小電容。否則，在有限時間內無法達到自舉電壓。

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

　　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導通時高電壓串入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二極管。與VCC端相連的電容C3是去耦電容，用于補償電源線的電感。

　　3 場效應管驅動電路的改進

　　如圖2所示，典型應用電路是由IR21844驅動2個N溝道MOSFET管或IGBT組成的半橋驅動電路。固定的柵極參考輸出通道(L0)用于下端連接的功率場效應管T2，浮動的柵極輸出通道(HO)用于上端連接的功率場效應管T1。

　　以驅動N溝道MOSFET管為例來介紹。功率MOS—FET是電壓型驅動器件，沒有少數(shù)載流子的存儲效應，輸入阻抗高，因而開關速度可以很高，驅動功率小，電路簡單。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與極間電容的關系可表示為：

　　IR21844不能產生負偏壓，如果用于驅動橋式電路，由于極間電容的存在，在開通和關斷時刻，柵漏極間的電容CGD有充放電電流，容易在柵極上產生干擾。針對這一不足，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動電壓一般為CM()S電平(5～20 V)，因此要在柵極增加保護電路。電路中穩(wěn)壓二極管D5、D6限制了所加柵極電壓，電阻R1、R2進行分壓，同時也降低了柵極電壓。

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

　　4 擴展與總結

　　以上介紹的是IR21844用于驅動單相電路時的用法和注意事項，同樣，該芯片完全可以用于驅動兩相、三相或者多相電路。可將該電路進行復制，當然一些參數(shù)的確定還需要按照本文的分析和具體的實際情況而定。

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