高压悬浮驱动器IR2110的原理和扩展应用

2011-05-22 11:15:57来源: 互联网

摘要:介绍了IR2110的内部结构和特点,高压侧悬浮驱动的原理和自举元件的设计。针对IR2110的不足提出了几种扩展应用的方案,并给出了应用实例。

关键词:悬浮驱动;电荷;自举;绝缘门极


1引言

在功率变换装置中,根据主电路的结构,其功率开关器件一般采用直接驱动和隔离驱动两种方式。采用隔离驱动方式时需要将多路驱动电路、控制电路、主电路互相隔离,以免引起灾难性的后果。隔离驱动可分为电磁隔离和光电隔离两种方式。

光电隔离具有体积小,结构简单等优点,但存在共模抑制能力差,传输速度慢的缺点。快速光耦的速度也仅几十kHz。

电磁隔离用脉冲变压器作为隔离元件,具有响应速度快(脉冲的前沿和后沿),原副边的绝缘强度高,dv/dt共模干扰抑制能力强。但信号的最大传输宽度受磁饱和特性的限制,因而信号的顶部不易传输。而且最大占空比被限制在50%。而且信号的最小宽度又受磁化电流所限。脉冲变压器体积大,笨重,加工复杂。

凡是隔离驱动方式,每路驱动都要一组辅助电源,若是三相桥式变换器,则需要六组,而且还要互相悬浮,增加了电路的复杂性。随着驱动技术的不断成熟,已有多种集成厚膜驱动器推出。如EXB840/841、EXB850/851、M57959L/AL、M57962L/AL、HR065等等,它们均采用的是光耦隔离,仍受上述缺点的限制。

美国IR公司生产的IR2110驱动器。它兼有光耦隔离(体积小)和电磁隔离(速度快)的优点,是中小功率变换装置中驱动器件的首选品种。

2IR2110内部结构和特点

IR2110采用HVIC和闩锁抗干扰CMOS制造工艺,DIP14脚封装。具有独立的低端和高端输入通道;悬浮电源采用自举电路,其高端工作电压可达500V,dv/dt=±50V/ns,15V下静态功耗仅116mW;输出的电源端(脚3,即功率器件的栅极驱动电压)电压范围10~20V;逻辑电源电压范围(脚9)5~15V,可方便地与TTL,CMOS电平相匹配,而且逻辑电源地和功率地之间允许有±5V的偏移量;工作频率高,可达500kHz;开通、关断延迟小,分别为120ns和94ns;图腾柱输出峰值电流为2A。

IR2110的内部功能框图如图1所示。由三个部分组成:逻辑输入,电平平移及输出保护。如上所述IR2110的特点,可以为装置的设计带来许多方便。尤其是高端悬浮自举电源的成功设计,可以大大减少驱


 


图1IR2110的内部功能框图


图2半桥驱动电路


动电源的数目,三相桥式变换器,仅用一组电源即可。

3高压侧悬浮驱动的自举原理

IR2110用于驱动半桥的电路如图2所示。图中C1、VD1分别为自举电容和二极管,C2为VCC的滤波电容。假定在S1关断期间C1已充到足够的电压(VC1≈VCC)。当HIN为高电平时VM1开通,VM2关断,VC1加到S1的门极和发射极之间,C1通过VM1,Rg1和S1门极栅极电容Cgc1放电,Cgc1被充电。此时VC1可等效为一个电压源。当HIN为低电平时,VM2开通,VM1断开,S1栅电荷经Rg1、VM2迅速释放,S1关断。经短暂的死区时间(td)之后,LIN为高电平,S2开通,VCC经VD1,S2给C1充电,迅速为C1补充能量。如此循环反复。

4自举元器件的分析与设计

如图2所示自举二极管(VD1)和电容(C1)是IR2110在PWM应用时需要严格挑选和设计的元器件,应根据一定的规则进行计算分析。在电路实验时进行一些调整,使电路工作在最佳状态。

4.1自举电容的设计

IGBT和PM(POWERMOSFET)具有相似的门极特性。开通时,需要在极短的时间内向门极提供足够的栅电荷。假定在器件开通后,自举电容两端电压比器件充分导通所需要的电压(10V,高压侧锁定电压为8.7/8.3V)要高;再假定在自举电容充电路径上有1.5V的压降(包括VD1的正向压降);最后假定有1/2的栅电压(栅极门槛电压VTH通常3~5V)因泄漏电流引起电压降。综合上述条件,此时对应的自举电容可用下式表示:C1=(1)

工程应用则取C1>2Qg/(VCC-10-1.5)。

例如FUJI50A/600VIGBT充分导通时所需要的栅电荷Qg=250nC(可由特性曲线查得),VCC=15V,那么

C1=2×250×10-9/(15-10-1.5)=1.4×10-7F

可取C1=0.22μF或更大一点的,且耐压大于35V的钽电容。

4.2悬浮驱动的最宽导通时间ton(max)当最长的导通时间结束时,功率器件的门极电压Vge仍必须足够高,即必须满足式(1)的约束关系。不论PM还是IGBT,因为绝缘门极输入阻抗比较高,假设栅电容(Cge)充电后,在VCC=15V时有15μA的漏电流(IgQs)从C1中抽取。仍以4.1中设计的参数为例,Qg=250nC,ΔU=VCC-10-1.5=3.5V,Qavail=ΔU×C=3.5×0.22=0.77μC。则过剩电荷ΔQ=0.77-0.25=0.52μC,ΔUc=ΔQ/C=0.52/0.22=2.36V,可得Uc=10+2.36=12.36V。由U=Uc及栅极输入阻抗R===1MΩ可求出t(即ton(max)),由===1.236可求出

ton(max)=106×0.22×10-6ln1.236=46.6ms

4.3悬浮驱动的最窄导通时间ton(min)

在自举电容的充电路径上,分布电感影响了充电的速率。下管的最窄导通时间应保证自举电容能够充足够的电荷,以满足Cge所需要的电荷量再加上功率器件稳态导通时漏电流所失去的电荷量。因此从最窄导通时间ton(min)考虑,自举电容应足够小。

综上所述,在选择自举电容大小时应综合考虑,既不能太大影响窄脉冲的驱动性能,也不能太


高压悬浮驱动器IR2110的原理和扩展应用

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图3具有负偏压的IR2110驱动电路


图4简单负偏压产生电路


小而影响宽脉冲的驱动要求。从功率器件的工作频率、开关速度、门极特性进行选择,估算后经调试而定。

4.4自举二极管的选择

自举二极管是一个重要的自举器件,它应能阻断直流干线上的高压,二极管承受的电流是栅极电荷与开关频率之积。为了减少电荷损失,应选择反向漏电流小的快恢复二极管。 5IR2110的扩展应用

单从驱动PM和IGBT的角度考虑,均不需要栅极负偏置。Vge=0,完全可以保证器件正常关断。但在有些情况下,负偏置是必要的。这是因为当器件关断时,其集电极-发射极之间的dv/dt过高时,将通过集电极-栅极之间的(密勒)电容以尖脉冲的形式向栅极馈送电荷,使栅极电压升高,而PM,IGBT的门槛电压通常是3~5V左右,一旦尖脉冲的高度和宽度达到一定的水平,功率器件将会误导通,造成灾难性的后果。而采用栅极负偏置,可以较好地解决这个问题。 5.1具有负偏压的IR2110驱动电路

电路如图3所示。高压侧和低压侧的电路完全相同。每个通道分别用了两只N沟道和两只P沟道的MOSFET。VD2、C2、R2为VM2的栅极耦合电路,C3、C4、VD3、VD4用于将H0(脚7)输出的单极性的驱动信号转换为负的直流电压。当VCC=15V时,C4两端可获得约10V的负压。

5.2简单负偏压IR2110驱动电路

电路如图4所示。高压侧的负偏压由C1,VD1,R1产生,R1的平均电流应不小于1mA。不同的HV可选择不同的电阻值,并适当考虑其功耗。低压侧由VCC,R2,C2,VD2产生。两路负偏置约为-4.7V。可选择小电流的齐纳二极管。

在图3所示电路中,VM1~VM4如选择合适的MOSFET,也能同时达到扩展电流的目的,收到产生负偏置和扩展电流二合一的功能。

6应用实例

一台2kW,三相400Hz,115V/200V的变频电源。单相50Hz,220V输入,逆变桥直流干线HV≈300V,开关频率fs=13.2kHz。功率模块为6MBI25L060,用三片IR2110作为驱动电路,共用一组15V的电源。主电路如图5所示。控制电路由80C196MC构成的最小系统组成。图6为IR2110高压侧输出的驱动信号,图7为其中一相的输出波形。

7结语

IR2110是一种性能比较优良的驱动集成电路。无需扩展可直接用于小功率的变换器中,使电路更加紧凑。在应用中如需扩展,附加硬件成本也不高,空间增加不大。然而其内部高侧和低侧通道


图5应用实例


图6IR2110高压侧输出驱动信号


图7变频电源其中一相输出波形(50V/DIV)


分别有欠压封锁保护功能,但与其它驱动集成电路相比,保护功能略显不足,可以通过其它保护措施加以弥补。

参考文献

[1]吴保芳.绝缘门极驱动电路的讨论[J].电气自动化.

1997,19(4).

[2]PowerSemiconductorDevicesApplicationsHandbook[M],

InternationalRectifer

[3]陈丹.基于80C196MC数字控制的三相变频电源的研究

[D].硕士论文,空军雷达学院2002.

关键字:高压  原理  扩展  应用

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0522/article_8968.html
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