基于IR21844的電機驅動(dòng)控制系統的設計

引 言

　　電動(dòng)機應用的日益廣泛，使其驅動(dòng)控制的研究也越來(lái)越成為人們研究的熱點(diǎn)。隨著(zhù)功率VMOS器件以及絕緣柵雙極晶體管(IGBT)器件的廣泛運用，更多場(chǎng)合使用VMOS器件或IGBT器件組成橋式電路，例如開(kāi)關(guān)電源半橋變換器或全橋變換器、直流無(wú)刷電機的橋式驅動(dòng)電路、步進(jìn)電機驅動(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動(dòng)集成電路芯片，本文介紹了IR21844功率驅動(dòng)集成芯片在直流無(wú)刷電機的橋式驅動(dòng)電路中的應用。該芯片是一種雙通道、柵極驅動(dòng)、高壓高速功率器件的單片式集成驅動(dòng)模塊，在芯片中采用了高度集成的電平轉換技術(shù)，大大簡(jiǎn)化了邏輯電路對功率器件的控制要求，同時(shí)提高了驅動(dòng)電路的可靠性。尤其是上管采用外部自舉電容上電，使得驅動(dòng)電源數目較其他IC驅動(dòng)大大減少。對于典型的6管構成的三相橋式逆變器，采用3片IR21844驅動(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目，降低了產(chǎn)品成本，提高了系統可靠性。

　　1 IR21844主要特點(diǎn)及技術(shù)參數

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

• 　　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(shí)靜態(tài)功耗為1．6 W；
• 　　輸出柵極驅動(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(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；
• 　　死區時(shí)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(guān)閉控制端；引腳4(DT)是可調的死區時(shí)間輸入端。

　　其推薦典型工作參數如表1所列，動(dòng)態(tài)傳輸延遲時(shí)間參數如表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(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為死區時(shí)間調整端，因為橋式電路同一橋路的上下管不能同時(shí)導通，否則會(huì )造成管子短路，因此需要一個(gè)死區時(shí)間。由于H0和LO的輸出邏輯相反，所以從邏輯上來(lái)說(shuō)，不會(huì )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(gè)電阻Rdt，通過(guò)調整該電阻的阻值就可以調節死區時(shí)間；同時(shí)，開(kāi)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導通、T1關(guān)斷期間，VCC經(jīng)D1、C1、負載、T2給C1充電，以確保當T2關(guān)斷、T1導通時(shí)，T1管的柵極靠Cl上足夠的儲能來(lái)驅動(dòng)。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(guān)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(dòng)信號會(huì )因欠壓被片內邏輯封鎖，T1就無(wú)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(lái)吸收高頻毛刺干擾電壓。驅動(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定性問(wèn)題，上管的驅動(dòng)波形峰頂如果出現下降的現象，則要選取大的電容。

顯然每個(gè)周期T1開(kāi)關(guān)一次，C2就通過(guò)T2開(kāi)關(guān)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(guān)。當PWM工作頻率過(guò)低時(shí)，若T1導通脈寬較窄，自舉電壓8．3 V容易滿(mǎn)足；反之，無(wú)法實(shí)現自舉。因此，要合理設置PWM開(kāi)關(guān)頻率和占空比調節范圍，C2的容量選擇考慮如下幾點(diǎn)：

　?、貾WM開(kāi)關(guān)頻率高，C2應選小電容。

　?、诒M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{節較大的場(chǎng)合，特別是在高占空比時(shí)，T2導通時(shí)間較短，C2應選小電容。否則，在有限時(shí)間內無(wú)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，監測H()、VS腳波形進(jìn)行調試是最好的方法。

　　根據表1，VB高于VS電壓的最大值為20 V，為了避免VB過(guò)電壓損壞IR21844，電路中增加了穩壓二極管D1。電路中D2的功能是防止T1導通時(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(xiàn)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(xiàn)的電感。

　　3 場(chǎng)效應管驅動(dòng)電路的改進(jìn)

　　如圖2所示，典型應用電路是由IR21844驅動(dòng)2個(gè)N溝道MOSFET管或IGBT組成的半橋驅動(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)效應管T1。

　　以驅動(dòng)N溝道MOSFET管為例來(lái)介紹。功率MOS—FET是電壓型驅動(dòng)器件，沒(méi)有少數載流子的存儲效應，輸入阻抗高，因而開(kāi)關(guān)速度可以很高，驅動(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)生負偏壓，如果用于驅動(dòng)橋式電路，由于極間電容的存在，在開(kāi)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(lái)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(dòng)電壓一般為CM()S電平(5～20 V)，因此要在柵極增加保護電路。電路中穩壓二極管D5、D6限制了所加柵極電壓，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(kāi)關(guān)過(guò)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(dòng)單相電路時(shí)的用法和注意事項，同樣，該芯片完全可以用于驅動(dòng)兩相、三相或者多相電路?？蓪⒃撾娐愤M(jìn)行復制，當然一些參數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，兩路互補輸出，非常適合用于驅動(dòng)橋式電路；并且它的死區時(shí)間可以靈活調節，輸出鎖定端可以靈活用于電流的閉環(huán)控制，給控制的沒(méi)計帶來(lái)了很大的方便，因此在中小型功率領(lǐng)域應用比較廣泛。