IR2304半桥驱动集成电路的功能原理及应用

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
摘要:IR2304是美国IR公司生产的新一代半桥驱动集成芯片,该芯片内部集成了互相独立的控制驱动输出电路,可直接驱动两个中功率半导体器件如MOSFET或IGBT,动态响应快,驱动能力强,工作频率高,且具有多种保护功能。文中介绍了IR2304的功能特点、工作原理和典型应用电路。 关键词:半桥驱动集成电路;IR2304;三相桥式逆变器 1 IR2304的功能特点 IR2304是国际整流器公司(IR)新推出的多功能600V高端及低端驱动集成电路,这种适于功率MOSFET、IGBT驱动的自举式集成电路在照明镇流器、电源及电机等功率驱动领域中将获得广泛的应用。IR2304的性能特点如下: (1)芯片体积小(DIP8),集成度高(可同时驱动同一桥臂的上、下两只开关器件); (2)动态响应快。典型通断延迟时间220/220ns、 内部死区时间100ns、匹配延迟时间50ns; (3)驱动能力强,可驱动600V主电路系统。具有60mA/130mA输出驱动能力,栅极驱动输入电压宽达10~20V; (4)工作频率高。可支持100kHz或以下的高频开关,可与IRF830或IRFBC30等较小巧的MOSFET或IGBT配合使用; (5)输入输出同相设计。提供高端和低端独立控制驱动输出,可通过两个兼容3.3V、5V和15V输入逻辑的独立CMOS或LSTTL输入来控制,为设计带来了很大的灵活性; (6)低功耗设计,坚固耐用且防噪效能高。IR2304采用高压集成电路技术,整合设计既降低成本和简化电路,又降低设计风险和节省电路板的空间。相比于其它分立式、脉冲变压器及光耦解决方案,IR2304更能节省组件数量和空间,并提高可靠性; (7)具有电源欠压保护和关断逻辑。IR2304有两个非倒相输入及交叉传导保护功能,整合了专为驱动电机的半桥MOSFET或IGBT电路而设的保护功能。当电源电压降至4.7V以下时,欠压锁定 UVLO 功能会立即关掉两个输出,以防止穿通电流及器件故障。当电源电压大于5V时则会释放输出 综合滞后一般为0.3V。过压(HVIC)及防闭锁CMOS技术使IR2304非常坚固耐用。 另外,IR2304还配备有大脉冲电流缓冲级,可将交叉传导减至最低;同时采用具有下拉功能的施密特(Schmitt) 触发式输入设计,可有效隔绝噪音,以防止器件意外开通。 IR2304采用8脚DIP或SOIC封装,其引脚排列如图1所示。该芯片与其它同类产品的特性比较见表1,从表1可看出IR2304比同类其它产品特性更优越,集成度更高。 IR2304各引脚的功能及推荐工作参数如表2所列。 表1 IR2106/2301/2108/2109/2302/2304特性比较 同类产品 输入逻辑 保护逻辑 死区时间 接地引脚 2106/2301 HIN/LIN 没有 没有 COM 21064 VSS/COM 2108 HIN/LIN 有 内部540ns COM 21084 空 空 可编程0.54~5μs VSS/COM 2109/2302 IN/SD 有 540ns COM 21094 可编程0.54~5μs VSS/COM 2304 HIN/LIN 有 内部100ns COM 表2 IR2304推荐的工作参数 符 号 名 称 最小值 最大值 单位 VIN 高低端逻辑输入(HIN、LIN) COM Vcc V Vcc 逻辑电源与低端电源电压 10 20 LO 低端驱动输出 COM Vcc Vs 高端浮偏电源参考电压 注1 600 HO 高端驱动输出电压 Vs VB VB 高端浮置电源电压 Vs+10 Vs+20 TA 环境温度 -40 125 ℃ 注:1:逻辑运行时为COM-5到COM+600V,逻辑状态保持为COM-5V到COM-Vbs 2 IR2304的工作原理 IR2304的典型接线如图2所示,图中VCC为10~25V功率管门极驱动电源,可用TTL或CMOS逻辑信号作为输入,因此VCC可用一个典型值为+15V的电源。C2为自举电容,当VT1关断、VT2开通时,VCC经VD、C2、负载、VT2给C2充电,以确保VT2关断、VT1开通时,VT1管的栅极靠C2上足够的储能来驱动,从而实现自举式驱动。若负载阻抗较大,C2经负载降压充电较慢,使得当VT2关断、VT1开通时C2上的电压仍不能充电至自举电压8.2V以上时,输出驱动信号会因欠压被片内逻辑封锁,VT1就无法正常工作。每个周期VT1开关一次,C2就通过开关VT2充电一次。因此,C2的容量选择应考虑如下几点: (1)C2应为高稳定、低串联电感、高频率特性的优质电容,容量为0.1~1μF。 (2)尽量使自举上电回路不经大阻抗负载,否则应为C2充电提供快速充电通路。 (3)PWM开关频率较高时,C2应选小。当PWM工作频率较低时,若占空比较高,则VT1开通时间较长,VT2开通时间较短,因此C2应选小;若占空比较低,VT1导通脉宽较窄,则VT2导通脉宽较宽,自举电压容易满足。否则,在有限时间内无法达到自举电压,从而造成欠压保护电路工作。因此,C2的选择应综合考虑PWM变化的各种情况,最好在调试时监测HO、VS脚的波形。 3 三相桥式逆变电路 由IR2304组成的三相桥式逆变器的硬件结构如图3所示。对于由六个功率元件构成的三相桥式逆变器来说,采用三片IR2304驱动三个桥臂是中小型功率变换的理想选择。 该逆变电路中的主电路可将直流电压(+DC)逆变为三相交流输出电压U、V、W。该直流电压(+DC)来自三相桥式整流电路,逆变电路功率元件应选用耐压为1000V的IGBT元件。 逆变器中的驱动电路使用的就是1000V的IR2304。由于三相逆变器每个周期总有一个上下管导通,故上管自举电容容易充电,三个上管自举电路可有序工作。但IR2304使用不当,尤其是自举电容选择不好,易导致芯片损坏或不能正常工作。电容C1、C2和C3分别为三路高端输出的供电电源的自举电容。单电源+15V供电电压经二极管隔离后又分别作为其三路高端驱动输出的供电电源,这样一来大大减小了控制变压器体积并减少了电源数目,从而降低了产品成本,提高了系统可靠性。 通过电路中的PWM控制器可为逆变器提供六路控制信号。一些模拟电路或数字电路的PWM的产生都通过专用芯片来实现,如三相PWM发生器SA8282。为了提高PWM的输出质量和可靠性,以高性能单片机和数字信号处理(DSP)等为控制核心来构成整个系统。如德州仪器TMS320LF240xDSP内部自带的事件管理器模块专门用来产生PWM。它们大部分是在16位单片机或DSP的基础上增加部分特殊的控制功能来构成专用的集成电路,应用在各种开关电源、交直流电机调速系统中。以TMS320LF240xDSP为核心的典型数字控制电机变压变频调速系统原理框图如图4所示。实验和调试结果表明,利用TMS320LF2407DSP事件管理器模块的波形发生器输出的方波可简化系统的软硬件开发,同时其PWM波形的质量和可靠性也很好。 4 注意事项 用IR2304设计逆变器时,应注意以下几点: (1)当自举电压不容易满足要求时,可以取掉VD,直接给VB、VS加另一个10~25V隔离电源,但这一作法没有充分利用IR2304应有的资源和特点。对于全桥型逆变器,无需经过负载充电,这种形式的自举工作仅是C2选择问题。 (2)若使用自举技术产生VB时,则接于引脚Vcc与VB间的二极管VD应为超快恢复二极管,其反向耐压要大于600V。 (3)芯片中的输入控制逻辑电路还为同一桥臂的高端和低端提供了死区时间,以避免同一桥臂上被驱动功率元件在开关转换过渡期间同时导通。 (4)驱动电路输出串接电阻阻值一般应在 10~33Ω,而对于小功率器件,串接电阻应该增加到30~50Ω。 (5)驱动电路与被驱动功率器件的距离应尽可能短,连接线应尽可能使用双绞线或同轴电缆屏蔽线。 (6)可使用高频高速光耦合器件,如6N136、4N25等将控制部分(图3中的PWM控制器)与由IR2304构成的驱动电路隔离,使控制电路的逻辑地和驱动电路的逻辑地相互独立,以此来增强系统的抗干扰能力。 (7)在具体应用电路设计中可根据实际需要灵活变更外围电路,以满足使用需求。
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