IR2110驱动电路的优化设计
发布时间：2010-3-15 11:30
发布者：李宽
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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栅极驱动器，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。 参考文献 1. 倚鹏.高压大功率变频器技术原理与应用[M].北京:人民邮电出版社,2008. 2. International Rectifier Corporation.IR2110 (S)/IR2113 (S)D ata Sheet[EB/OL].2005.www.irf.com. 3. 楚斌.IR2110功率驱动集成芯片应用[J].电子工程师,2004,30(10):33,43,53. 4. 李晓东,王京,张勇军,等.大功率三电平逆变器中IGBT驱动和保护的研究[J].工矿自动化,2007(3):64-67. 5. 何存福,用龙,宋国荣,等.基于DSP的直流电机驱动控制电路设计[J].测控技术,2007,26(1):64-67. 6. 麦明就.IR2110在三电平逆变器中的应用[J].中国科技信息,2008(8):137-138. 作者：张明 章国宝 东南大学自动化学院,江苏,南京,210096 来源：电子设计工程 2009-12 |
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