引 言
電動機應(yīng)用的日益廣泛,使其驅(qū)動控制的研究也越來越成為人們研究的熱點。隨著功率VMOS器件以及絕緣柵雙極晶體管(IGBT)器件的廣泛運用,更多場合使用VMOS器件或IGBT器件組成橋式電路,例如開關(guān)電源半橋變換器或全橋變換器、直流無刷電機的橋式驅(qū)動電路、步進電機驅(qū)動電路,以及逆變器的逆變電路。IR(Inter—national Rectifier)公司提供了多種橋式驅(qū)動集成電路芯片,本文介紹了IR21844功率驅(qū)動集成芯片在直流無刷電機的橋式驅(qū)動電路中的應(yīng)用。該芯片是一種雙通道、柵極驅(qū)動、高壓高速功率器件的單片式集成驅(qū)動模塊,在芯片中采用了高度集成的電平轉(zhuǎn)換技術(shù),大大簡化了邏輯電路對功率器件的控制要求,同時提高了驅(qū)動電路的可靠性。尤其是上管采用外部自舉電容上電,使得驅(qū)動電源數(shù)目較其他IC驅(qū)動大大減少。對于典型的6管構(gòu)成的三相橋式逆變器,采用3片IR21844驅(qū)動3個橋臂,僅需1路10~20 V電源。這樣,在工程上大大減少了控制變壓器的體積和電源數(shù)目,降低了產(chǎn)品成本,提高了系統(tǒng)可靠性。
1 IR21844主要特點及技術(shù)參數(shù)
IR21844集成驅(qū)動芯片與目前應(yīng)用的集成驅(qū)動芯片相比,具有以下特點:
該芯片為標(biāo)準(zhǔn)14引腳單片式結(jié)構(gòu),圖1為其引腳分布圖;
設(shè)有懸浮截獲電源可自舉運行,其高端工作電壓最高達600 V,抗du/dt干擾能力為50 V/ns,15 V時靜態(tài)功耗為1.6 W;
輸出柵極驅(qū)動電壓范圍較寬,為10~20 V;
IR21844采用CMOS工藝制作,邏輯電路和功率電路共用一個電源,電壓范圍為10~20 V,適應(yīng)TTL或CMOS邏輯信號輸入;
采用CMOS施密特觸發(fā)輸入,以提高電路抗干擾能力;
具有獨立的高端和低端2個輸出通道,兩路通道均帶有滯后欠壓鎖定功能;
容許邏輯電路參考地(VSS)與功率電路參考地(COM)之間有一5~+5 V的偏移量;
死區(qū)時間可調(diào)。
圖1中,引腳1(IN)是邏輯輸入控制端;引腳6和12是2路獨立的輸出,分別是L0(低端輸出)和H0(高端輸出);引腳7和13分別是VCC(低端電源電壓)和VB(高端浮置電源電壓);引腳5(COM)是低端電源公共端;引腳11和3分別是VS(高端浮置電源公共端)和VSS(邏輯電路接地端);引腳2(SD)是輸出關(guān)閉控制端;引腳4(DT)是可調(diào)的死區(qū)時間輸入端。
其推薦典型工作參數(shù)如表1所列,動態(tài)傳輸延遲時間參數(shù)如表2所列。
2 典型應(yīng)用電路
圖2為IR21844的典型應(yīng)用電路。Vcc接電源端,為邏輯部件和功率器件供電;IN端接輸入控制信號,一般接PWM信號;輸出端HO和LO的波形分別與IN端輸入波形邏輯相同和相反,幅值有一定的放大(10~20 V),輸入/輸出時序圖如圖3所示;SD端接低電平時,H0和LO正常輸出,接高電平時,2個輸出端被封鎖;DT為死區(qū)時間調(diào)整端,因為橋式電路同一橋路的上下管不能同時導(dǎo)通,否則會造成管子短路,因此需要一個死區(qū)時間。由于H0和LO 的輸出邏輯相反,所以從邏輯上來說,不會造成直通,但是在換向的瞬間仍有可能造成直通??稍贒T端外接一個電阻Rdt,通過調(diào)整該電阻的阻值就可以調(diào)節(jié)死區(qū)時間;同時,開通延時時間為680 ns,大于關(guān)斷延時時間的270 ns,從而避免橋路的直通,死區(qū)時間典型值為5μs(如表2所列)。
圖2中,C2為自舉電容。在T2導(dǎo)通、T1關(guān)斷期間,VCC經(jīng)D1、C1、負(fù)載、T2給C1充電,以確保當(dāng)T2關(guān)斷、T1導(dǎo)通時,T1管的柵極靠Cl 上足夠的儲能來驅(qū)動。這就是高端的自舉供電。若負(fù)載阻抗較大,C2經(jīng)負(fù)載降壓充電較慢,使得T2關(guān)斷、T1導(dǎo)通,C2上的電壓仍充電不到自舉電壓 8.3 V以上,那么輸出驅(qū)動信號會因欠壓被片內(nèi)邏輯封鎖,T1就無法正常工作。為此,C2的選擇就顯得很重要,一般用1個大電容和1個小電容并聯(lián)使用,在頻率為20 kHz左右的工作狀態(tài)下,選用1.0μF和0.1μF電容并聯(lián)。并聯(lián)高頻小電容用來吸收高頻毛刺干擾電壓。驅(qū)動大容量的IGBT時,在工作頻率較低的情況下,要注意自舉電容電壓穩(wěn)定性問題,上管的驅(qū)動波形峰頂如果出現(xiàn)下降的現(xiàn)象,則要選取大的電容。
顯然每個周期T1開關(guān)一次,C2就通過T2開關(guān)充電一次,因此自舉電容C2的充電還與輸入信號IN的PWM脈沖頻率和脈沖寬度有關(guān)。當(dāng)PWM工作頻率過低時,若T1導(dǎo)通脈寬較窄,自舉電壓8.3 V容易滿足;反之,無法實現(xiàn)自舉。因此,要合理設(shè)置PWM開關(guān)頻率和占空比調(diào)節(jié)范圍,C2的容量選擇考慮如下幾點:
?、貾WM開關(guān)頻率高,C2應(yīng)選小電容。
②盡量使自舉上電回路不經(jīng)大阻抗負(fù)載,否則應(yīng)為C2充電提供快速充電通路。
③對于占空比調(diào)節(jié)較大的場合,特別是在高占空比時,T2導(dǎo)通時間較短,C2應(yīng)選小電容。否則,在有限時間內(nèi)無法達到自舉電壓。
?、蹸2的選擇應(yīng)綜合考慮PWM變化的各種情況,監(jiān)測H()、VS腳波形進行調(diào)試是最好的方法。
根據(jù)表1,VB高于VS電壓的最大值為20 V,為了避免VB過電壓損壞IR21844,電路中增加了穩(wěn)壓二極管D1。電路中D2的功能是防止T1導(dǎo)通時高電壓串入VCC端損壞該芯片,因此其耐壓值必須高于總線峰值電壓,故采用功耗小的快恢復(fù)二極管。與VCC端相連的電容C3是去耦電容,用于補償電源線的電感。
3 場效應(yīng)管驅(qū)動電路的改進
如圖2所示,典型應(yīng)用電路是由IR21844驅(qū)動2個N溝道MOSFET管或IGBT組成的半橋驅(qū)動電路。固定的柵極參考輸出通道(L0)用于下端連接的功率場效應(yīng)管T2,浮動的柵極輸出通道(HO)用于上端連接的功率場效應(yīng)管T1。
以驅(qū)動N溝道MOSFET管為例來介紹。功率MOS—FET是電壓型驅(qū)動器件,沒有少數(shù)載流子的存儲效應(yīng),輸入阻抗高,因而開關(guān)速度可以很高,驅(qū)動功率小,電路簡單。但功率MOSFET的極間電容較大,其等效電路如圖4所示。
輸入電容Ciss、輸出電容Coss和反饋電容Crss與極間電容的關(guān)系可表示為:
IR21844不能產(chǎn)生負(fù)偏壓,如果用于驅(qū)動橋式電路,由于極間電容的存在,在開通和關(guān)斷時刻,柵漏極間的電容CGD有充放電電流,容易在柵極上產(chǎn)生干擾。針對這一不足,可以在柵極限流電阻(R1和R2)上分別反并聯(lián)一個二極管(D3和D4)來解決,該二極管可以加快極間電容上的電荷的放電速度。
功率器件的柵源極的驅(qū)動電壓一般為CM()S電平(5~20 V),因此要在柵極增加保護電路。電路中穩(wěn)壓二極管D5、D6限制了所加?xùn)艠O電壓,電阻R1、R2進行分壓,同時也降低了柵極電壓。#p#分頁標(biāo)題#e#
功率器件T1、T2在開關(guān)過程中會產(chǎn)生浪涌電壓,這些浪涌電壓會損壞元件,所以電路中采用穩(wěn)壓二極管D5、D6鉗位浪涌電壓。
4 擴展與總結(jié)
以上介紹的是IR21844用于驅(qū)動單相電路時的用法和注意事項,同樣,該芯片完全可以用于驅(qū)動兩相、三相或者多相電路??蓪⒃撾娐愤M行復(fù)制,當(dāng)然一些參數(shù)的確定還需要按照本文的分析和具體的實際情況而定。
由于該芯片只有一路輸入,兩路互補輸出,非常適合用于驅(qū)動橋式電路;并且它的死區(qū)時間可以靈活調(diào)節(jié),輸出鎖定端可以靈活用于電流的閉環(huán)控制,給控制的沒計帶來了很大的方便,因此在中小型功率領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛。
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