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1 引言 驅動(dòng)IGBT電壓型功率器件有多種具有保護及隔離功能的集成驅動(dòng)模塊。這些模塊具有多種保護功能、隔離驅動(dòng)、電路參數一致性好、運行穩定可靠等優(yōu)點(diǎn)，但其相對價(jià)格較高，且只能驅動(dòng)單個(gè)功率管。而IR2110是雙通道高壓、高速電壓型功率開(kāi)關(guān)器件柵極驅動(dòng)器，具有自舉浮動(dòng)電源。驅動(dòng)電路簡(jiǎn)單，只需一路電源即可同時(shí)驅動(dòng)上、下橋臂，但存在不能產(chǎn)生負偏壓，在抗干擾方面較薄弱等缺陷。這里從保護、抗干擾等方面對該模塊進(jìn)行優(yōu)化設計，使其優(yōu)點(diǎn)更突出，從而使用范圍更廣泛。 2 IR2110功能模塊 圖1為IR2110內部結構框圖。IR2110采用CMOS工藝制作，邏輯電源電壓范圍為5-20 V，適應TTL或CMOS邏輯信號輸入，具有獨立的高端和低端2個(gè)輸出通道。由于邏輯信號均通過(guò)電平耦合電路連接到各自的通道上，允許邏輯電路參考地 (Vss)與功率電路參考地(COM)之間有-5～+5 V的偏移量，并能屏蔽小于50 ns的脈沖。采用CMOS施密特觸發(fā)輸入，以提高電路的抗干擾能力。IR2110由邏輯輸入、電平平移及輸出保護組成。邏輯輸入電路與TTL／CMOS電平兼容；邏輯電源地(Vss)和功率地(COM)之間允許有±5 V的偏移量；工作頻率高，可達500 kHz；開(kāi)通、關(guān)斷延遲小，分別為120 ns和94 ns：輸出峰值電流可達2 A，上橋臂通道可承受500 V的電壓。自舉懸浮驅動(dòng)電源可同時(shí)驅動(dòng)同一橋臂的上、下兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件，大大簡(jiǎn)化了驅動(dòng)電源設計。 
3 驅動(dòng)電路的優(yōu)化設計 3．1 輸入、輸出信號處理 該驅動(dòng)電路將從光纖輸入的信號處理變?yōu)轵寗?dòng)信號輸出，且當信號出現過(guò)流時(shí)輸出一個(gè)阻斷信號到系統的控制部分，由控制部分停止PWM信號的輸出，關(guān)斷 IGBT管，如圖2所示。 在大中功率場(chǎng)合下，開(kāi)關(guān)管開(kāi)通關(guān)斷的du／dt、di／dt很高，很容易對控制電路等弱電信號造成干擾，嚴重威脅功率逆變器的安全運行。因此采用光纖連接器隔離主電路和控制電路，光纖連接器實(shí)現PWM控制信號的遠距離傳輸，延時(shí)小且可消除來(lái)自功率開(kāi)關(guān)器件的干擾。
由圖2可知，光接收器接收到信號(即有PWM信號到來(lái))時(shí)為低電平，而與非門(mén)U1的另一端接+15 V為高電平，通過(guò)與非門(mén)U1后為高電平，再通過(guò)異或門(mén)U2、與門(mén)U3接收到信號，該信號接到IR2110的低通道輸入端LIN，用來(lái)驅動(dòng)IR2110一端的IGBT。異或門(mén)U6，與非門(mén)U5，電阻R1和電容C3組成確認脈沖發(fā)生電路。每當輸入信號發(fā)生跳變時(shí)，異或門(mén)U6輸出一個(gè)正脈沖，其寬度由電容C3和電阻R1決定，并通過(guò)光纖發(fā)送器發(fā)出。當IGBT過(guò)流時(shí)，OVC為低電平，其低電位反饋到U3的輸入端，使DRG強置為高電平，從而使IGBT關(guān)斷。此時(shí) SO端也將出現低電平，輸出光纖將狀態(tài)傳送至系統控制部分。由系統發(fā)出信號統一關(guān)斷IGBT管。 3．2 保護電路 IR2110自帶保護功能，輸入端SD可實(shí)現過(guò)電流保護控制功能，但在驅動(dòng)大中功率IGBT管時(shí)應慎用，因為大電流下關(guān)斷di／dt很大，控制及驅動(dòng)電路屏蔽不好的情況下會(huì )產(chǎn)生很大的干擾信號，容易引起SD端保護誤動(dòng)作，在強感性大電流下關(guān)斷驅動(dòng)會(huì )導致直流母線(xiàn)上的高壓毛刺，而IR2110允許的最高電壓只有500 V，很可能使驅動(dòng)模塊失效而燒壞IGBT模塊。因此這里重新設計保護電路，使其能更好保護封鎖信號，如圖3所示。
保護電路處理過(guò)流和欠壓檢測信號，完成過(guò)流保護和欠電壓保護，整個(gè)保護電路的核心是LM555。 (1)過(guò)流保護電路 圖3中，二極管VD3，電阻R14、R16、R15，電容C6，MOS管VQ4組成過(guò)流反饋電路，與R11、R12及穩壓管VD2組成的參考電壓相比較；R8、R9、R10、C4與MOS管VQ3組成阻斷時(shí)間電路。當有信號輸入時(shí)(IGBT導通)，MSURE信號為低電平，VQ4截止，C極的電壓反饋到LM555的引腳6；當無(wú)信號輸入時(shí)(IGBT截止)，VQ4導通，則LM555引腳6的電壓為0 V。在IGBT導通期間，當VCE(C極相對于E極的電壓)超過(guò)一定值時(shí)，V6E(LM555的引腳6相對于E極的電壓)大于V5E(LM555的引腳5 相對于E極的電壓)，LM555引腳7輸出為低電平，即OVC為低電平，啟動(dòng)過(guò)流保護，經(jīng)阻斷時(shí)間后恢復正常；否則，引腳7為門(mén)極開(kāi)路，電路工作正常。 (2)欠壓保護電路 該電路由圖3中的電阻R5、R6、R7，晶體管VQ2及穩壓管VD1組成。正常狀態(tài)下，晶體管VQ2導通，LM555的RESET信號(引腳4)不起作用；當給定電壓低到一定值時(shí)，LM555的引腳4為0 V，RESET信號起作用，使LM555處于復位狀態(tài)，引腳7即OVC為低電平，保護電路啟動(dòng)。 3．3 負偏壓電路 IR2110的另一不足是不能產(chǎn)生負偏壓。在大功率IGBT驅動(dòng)場(chǎng)合，各路驅動(dòng)電源獨立，集成驅動(dòng)器一般都能產(chǎn)生負壓，-5 V。用于增強IGBT關(guān)斷的可靠性，防止由于密勒效應而造成誤導通。IR2110器件內部雖不能產(chǎn)生負壓，但可通過(guò)外加無(wú)源器件產(chǎn)生負壓，如圖4所示。
在上、下管驅動(dòng)電路中均增加由電容和5 V穩壓管組成的負壓電路。其工作原理為：電源電壓Vcc為20 V。在上電期間，電源通過(guò)R10為C11充電，C11保持5 V電壓。LIN為高電平時(shí)，LO相對COM輸出20 V的高電平，這時(shí)加在下管VG1的電壓為15 V，IGBT正常導通。當LIN輸入為低電平時(shí)，LO輸出O V，此時(shí)VG1的電壓為-5 V，實(shí)現關(guān)斷時(shí)負壓。同理，對于上管VG2，HIN輸入高電平時(shí)，HO輸出20 V，加在VG2的電壓為15 V。當HIN為低電平時(shí)，HO輸出0 V，VG2電壓為-5 V。選擇的C11，C12要大于IGBT柵極輸入寄生電容Ciss。自舉電容充電電路中的二極管VD4必須是快恢復二極管，以保證在有限時(shí)間內快速導通。 4 結論 通過(guò)對驅動(dòng)模塊IR2110的分析研究，在其驅動(dòng)電路簡(jiǎn)單、可獨立高端和低端輸出驅動(dòng)通道等基礎上，針對其一些不足。設計實(shí)用性較強的優(yōu)化驅動(dòng)電路，使該模塊在使用中能更有效地對IGBT進(jìn)行驅動(dòng)、控制和過(guò)流保護。 參考文獻 1. 倚鵬.高壓大功率變頻器技術(shù)原理與應用[M].北京:人民郵電出版社,2008. 2. International Rectifier Corporation.IR2110 (S)/IR2113 (S)D ata Sheet[EB/OL].2005.www.irf.com. 3. 楚斌.IR2110功率驅動(dòng)集成芯片應用[J].電子工程師,2004,30(10):33,43,53. 4. 李曉東,王京,張勇軍,等.大功率三電平逆變器中IGBT驅動(dòng)和保護的研究[J].工礦自動(dòng)化,2007(3):64-67. 5. 何存福,用龍,宋國榮,等.基于DSP的直流電機驅動(dòng)控制電路設計[J].測控技術(shù),2007,26(1):64-67. 6. 麥明就.IR2110在三電平逆變器中的應用[J].中國科技信息,2008(8):137-138. 作者：張明 章國寶 東南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院,江蘇,南京,210096 來(lái)源：電子設計工程 2009-12 |
