IR2110驱动电路的优化设计

2011-03-15 17:19:59来源: 互联网

1 引言

驱动IGBT电压型功率器件有多种具有保护及隔离功能的集成驱动模块。这些模块具有多种保护功能、隔离驱动、电路参数一致性好、运行稳定可靠等优点,但其相对价格较高,且只能驱动单个功率管。而IR2110是双通道高压、高速电压型功率开关器件极驱动器,具有自举浮动电源。驱动电路简单,只需一路电源即可同时驱动上、下桥臂,但存在不能产生负偏压,在抗干扰方面较薄弱等缺陷。这里从保护、抗干扰等方面对该模块进行优化设计,使其优点更突出,从而使用范围更广泛。

2 IR2110功能模块

图1为IR2110内部结构框图。IR2110采用CMOS工艺制作,逻辑电源电压范围为5-20 V,适应TTL或CMOS逻辑信号输入,具有独立的高端和低端2个输出通道。由于逻辑信号均通过电平耦合电路连接到各自的通道上,允许逻辑电路参考地(Vss)与功率电路参考地(COM)之间有-5~+5 V的偏移量,并能屏蔽小于50 ns的脉冲。采用CMOS施密特触发输入,以提高电路的抗干扰能力。IR2110由逻辑输入、电平平移及输出保护组成。逻辑输入电路与TTL/CMOS电平兼容;逻辑电源地(Vss)和功率地(COM)之间允许有±5 V的偏移量;工作频率高,可达500 kHz;开通、关断延迟小,分别为120 ns和94 ns:输出峰值电流可达2 A,上桥臂通道可承受500 V的电压。自举悬浮驱动电源可同时驱动同一桥臂的上、下两个开关器件,大大简化了驱动电源设计

3 驱动电路的优化设计

3.1 输入、输出信号处理

该驱动电路将从光纤输入的信号处理变为驱动信号输出,且当信号出现过流时输出一个阻断信号到系统的控制部分,由控制部分停止PWM信号的输出,关断IGBT管,如图2所示。
在大中功率场合下,开关管开通关断的du/dt、di/dt很高,很容易对控制电路等弱电信号造成干扰,严重威胁功率逆变器的安全运行。因此采用光纤连接器隔离主电路和控制电路,光纤连接器实现PWM控制信号的远距离传输,延时小且可消除来自功率开关器件的干扰。

由图2可知,光接收器接收到信号(即有PWM信号到来)时为低电平,而与非门U1的另一端接+15 V为高电平,通过与非门U1后为高电平,再通过异或门U2、与门U3接收到信号,该信号接到IR2110的低通道输入端LIN,用来驱动IR2110一端的IGBT。异或门U6,与非门U5,电阻R1和电容C3组成确认脉冲发生电路。每当输入信号发生跳变时,异或门U6输出一个正脉冲,其宽度由电容C3和电阻R1决定,并通过光纤发送器发出。当IGBT过流时,OVC为低电平,其低电位反馈到U3的输入端,使DRG强置为高电平,从而使IGBT关断。此时SO端也将出现低电平,输出光纤将状态传送至系统控制部分。由系统发出信号统一关断IGBT管。

3.2 保护电路

IR2110自带保护功能,输入端SD可实现过电流保护控制功能,但在驱动大中功率IGBT管时应慎用,因为大电流下关断di/dt很大,控制及驱动电路屏蔽不好的情况下会产生很大的干扰信号,容易引起SD端保护误动作,在强感性大电流下关断驱动会导致直流母线上的高压毛刺,而IR2110允许的最高电压只有500 V,很可能使驱动模块失效而烧坏IGBT模块。因此这里重新设计保护电路,使其能更好保护封锁信号,如图3所示。

保护电路处理过流和欠压检测信号,完成过流保护和欠电压保护,整个保护电路的核心是LM555。

(1)过流保护电路 图3中,二极管VD3,电阻R14、R16、R15,电容C6,MOS管VQ4组成过流反馈电路,与R11、R12及稳压管VD2组成的参考电压相比较;R8、R9、R10、C4与MOS管VQ3组成阻断时间电路。当有信号输入时(IGBT导通),MSURE信号为低电平,VQ4截止,C极的电压反馈到LM555的引脚6;当无信号输入时(IGBT截止),VQ4导通,则LM555引脚6的电压为0 V。在IGBT导通期间,当VCE(C极相对于E极的电压)超过一定值时,V6E(LM555的引脚6相对于E极的电压)大于V5E(LM555的引脚5相对于E极的电压),LM555引脚7输出为低电平,即OVC为低电平,启动过流保护,经阻断时间后恢复正常;否则,引脚7为门极开路,电路工作正常。

(2)欠压保护电路 该电路由图3中的电阻R5、R6、R7,晶体管VQ2及稳压管VD1组成。正常状态下,晶体管VQ2导通,LM555的RESET信号(引脚4)不起作用;当给定电压低到一定值时,LM555的引脚4为0 V,RESET信号起作用,使LM555处于复位状态,引脚7即OVC为低电平,保护电路启动。

3.3 负偏压电路

IR2110的另一不足是不能产生负偏压。在大功率IGBT驱动场合,各路驱动电源独立,集成驱动器一般都能产生负压,-5 V。用于增强IGBT关断的可靠性,防止由于密勒效应而造成误导通。IR2110器件内部虽不能产生负压,但可通过外加无源器件产生负压,如图4所示。

在上、下管驱动电路中均增加由电容和5 V稳压管组成的负压电路。其工作原理为:电源电压Vcc为20 V。在上电期间,电源通过R10为C11充电,C11保持5 V电压。LIN为高电平时,LO相对COM输出20 V的高电平,这时加在下管VG1的电压为15 V,IGBT正常导通。当LIN输入为低电平时,LO输出O V,此时VG1的电压为-5 V,实现关断时负压。同理,对于上管VG2,HIN输入高电平时,HO输出20 V,加在VG2的电压为15 V。当HIN为低电平时,HO输出0 V,VG2电压为-5 V。选择的C11,C12要大于IGBT栅极输入寄生电容Ciss。自举电容充电电路中的二极管VD4必须是快恢复二极管,以保证在有限时间内快速导通。

4 结论

通过对驱动模块IR2110的分析研究,在其驱动电路简单、可独立高端和低端输出驱动通道等基础上,针对其一些不足。设计实用性较强的优化驱动电路,使该模块在使用中能更有效地对IGBT进行驱动、控制和过流保护。

关键字:IR2110  IGBT:驱动电路  保护

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0315/article_5596.html
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