高壓懸浮驅動(dòng)電路IR2110的特點(diǎn)及拓展應用技術(shù)
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自舉二極管是一個(gè)重要的自舉器件。它應在高端器件開(kāi)通時(shí)能阻斷直流干線(xiàn)上的高壓，并且應當是快恢復二極管，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(kāi)關(guān)頻率之積。為了減少電荷損失，應選擇反向漏電流小的快恢復二極管。
如果電容需要長(cháng)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(lái)定，其最大反向恢復時(shí)間trr要小于等于100 ns，二極管所承受的電流IF=Qbsf。
3 IR2110的擴展應用
3.1 高壓側懸浮驅動(dòng)的自舉原理
在圖2所示的IR2110用于驅動(dòng)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(shí)VM1開(kāi)通，VM2關(guān)斷，VC1加到S1的門(mén)極和發(fā)射極之間，C1通過(guò)VM1、Rg1和S1門(mén)極柵極電容Cgc1放電，從而使Cgc1被充電。此時(shí)，VC1可等效為一個(gè)電壓源。而當HIN為低電平時(shí)，VM2開(kāi)通，VM1斷開(kāi)，S1柵電荷經(jīng)Rg1、VM2迅速釋放，使S1關(guān)斷。然后經(jīng)短暫的死區時(shí)間(td)之后，LIN為高電平，S2開(kāi)通，VCC經(jīng)VD1，S2給C1充電，并迅速為C1補充能量，并如此循環(huán)反復。
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，且自舉電容反復充、放電時(shí)，才能起到正常的自舉作用，而當IR2110的輸人信號是直流電平信號時(shí)，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動(dòng)信號。如果不解決IR2110此功能的不足，則當電機負載實(shí)際工作在占空比為1，負載兩端電壓為零時(shí)，電機將停止工作；同時(shí)也會(huì )給功率開(kāi)關(guān)管帶來(lái)很大的電流變化率，從而影響功率管的使用壽命和長(cháng)期可靠性。因此，在工作中應采取下面兩種技術(shù)措施。
(1)輸入幅度鑒別電路的應用
為了克服上述不足，可在工作中設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(xiàn)性區內，輸出調寬方波信號，而且，當輸入信號在線(xiàn)性區外時(shí)，電路也可以輸出固定的占空比信號，這樣，即可保證電機在線(xiàn)性區外也能正常轉動(dòng)，同時(shí)也保證了輸出負載電流不會(huì )產(chǎn)生大的突變。
(2)電荷泵電路
當電路輸入100％占空比信號時(shí)，其核心振蕩電路CD4093將產(chǎn)生一定頻率的方波信號。當此方波信號為低電平時(shí)，功率電源+Vs通過(guò)D5給儲能電容C3充電；而當此方波信號為高電平時(shí)，C3則通過(guò)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(shí)，由H橋輸出100％的占空比信號，同時(shí)也保證輸出電流的連續性。圖4所示為電荷泵電路圖。
3.2防直通導通延時(shí)電路
對H橋驅動(dòng)電路上下橋臂功率晶體管加互補信號后，由于帶載情況下，晶體管的關(guān)斷時(shí)間通常比開(kāi)通時(shí)間長(cháng)，這樣，當下橋臂晶體管未及時(shí)關(guān)斷而上橋臂搶先開(kāi)通時(shí)，就會(huì )出現所謂“橋臂直通”故障。這樣會(huì )使橋臂直通時(shí)電流迅速變大，從而造成功率開(kāi)關(guān)損壞。所以設置導通延時(shí)及死區時(shí)間必不可少。IR2110具有一定的死區時(shí)間，其大小為10 ns且不可外調，而實(shí)際使用中，MOSEFT管的關(guān)斷時(shí)間比開(kāi)通時(shí)間有時(shí)還要比10ns大，此時(shí)就需要外加延時(shí)電路來(lái)加大死區時(shí)間，以防止電路直通，圖5給出了一種導通延時(shí)電路及其波形。
導通延時(shí)也可以通過(guò)RC時(shí)間常數來(lái)設置。對GTR，可按0.2μs／A來(lái)設置；而對MOSFET，則可按0.1～0.2μs來(lái)設計，且與電流無(wú)關(guān)；IGBT可按2～5μs來(lái)設計。假如GTR的f為5 kHz旦雙極性工作，調寬區域為T(mén)／2=1／10=0.1 ms，此時(shí)若I為100 A，則△t=0.2×100=20μs。這樣PWM調制分辨率的最大可能性為：
這說(shuō)明死區時(shí)間占據了調制周期的1／5，顯然是不可行的。所以，對于100 A的電機系統，GTR的開(kāi)關(guān)頻率必須低于5 kHz。例如，2 kHz以下，此時(shí)的分辨率可達12.5左右。
4結束語(yǔ)
IR2110是一種性能比較優(yōu)良的驅動(dòng)集成電路，它的自舉懸浮驅動(dòng)電源可同時(shí)驅動(dòng)同一橋臂的上、下兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件，驅動(dòng)電壓高達500 V，工作頻率為500 kHz，并具有電源欠壓保護關(guān)斷邏輯。IR2110的輸出用圖騰柱結構，驅動(dòng)峰值電流為2 A，同時(shí)兩通道還設有低壓延時(shí)封鎖(50ns)。此外，芯片還有一個(gè)封鎖兩路輸出的保護端SD，在SD輸入高電平時(shí)，兩路輸出均被封鎖。IR2110的這些優(yōu)點(diǎn)給實(shí)際系統設計帶來(lái)了極大方便，特別是自舉懸浮驅動(dòng)電源大大簡(jiǎn)化了驅動(dòng)電源設計，因為只用一路電源即可完成上下橋臂兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件的驅動(dòng)。但與其它驅動(dòng)集成電路相比，IR2110的保護功能略顯不足，死區時(shí)間不可外調；電路工作在100％占空比信號輸入時(shí)，也需要外接電荷泵電路來(lái)維持自舉電容的足夠能量。不過(guò)這些不足在實(shí)際應用中都可以通過(guò)本文所述的拓展應用電路來(lái)進(jìn)行完善和補充。
本文作者已將上述擴展應用電路應用于仿美國APEX公司SAxx系列產(chǎn)品的應用研制中，而且獲得了較好的效果，研制的產(chǎn)品已通過(guò)全部的鑒定檢驗，并通過(guò)了國防科工委組織的鑒定。該成果可在航天和兵器系統中，取代APEX公司的同類(lèi)產(chǎn)品，而且系統工作正常，用戶(hù)比較滿(mǎn)意。
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