2023年IR2110中文最全面精品资料.pdf

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；栅电荷；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 1020V；逻辑电源电压范围（脚 9）515V，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 35V）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 C12Qg/(VCC101.5)。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=2250109/(15 101.5)=1.4 107F 可取 C1=0.22F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 15A的漏电流（IgQs）从 C1中抽取。仍以 4.1 中设计的参数为例，Qg=250nC，U=VCC 101.5=3.5V，Qavail=UC=3.50.22=0.77 C。则过剩电荷 Q=0.770.25=0.52 C，Uc=Q/C=0.52/0.22=2.36V，可得 Uc=102.36=12.36V。由 U=Uc及栅极输入阻抗 R=1M 可求出 t（即ton(max)），由=1.236 可求出 ton(max)=106 0.22 106ln1.236=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()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 35V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。