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1、技经济市场 I R2 1 81 S驱动芯片在全桥电路中应用设计和注意事项 李文谨 (安徽新华学院电子通信工程学院，安徽合肥230088) 摘 要：三相全桥技术具有应用广泛，控制方便，电路简单等特点，因此，广泛应用于逆变电源，变频技术，电力电子等相关 领域，但其功率MOSFET以及相关的驱动电路的设计直接与电路的可靠性紧密相关，如MOSFET的驱动电路设计不当， MOSFET很容易损坏，因此本文主要分析和研究了成熟驱动控制芯片IR2181S组成的电路，并设计了具体的电路，为提高 MOSFET的可靠性作一些研究，以便能够为设计人员在设计产品时作一些参考。 关键词：IR2181S驱动芯片；MOSFE
2、T；全桥电路；自举电路设计；吸收电路 IR2181S的结构和驱动电路设计 IR2181S是IR公司研发的一款专用驱动芯片电其内部结 构参考图1：主要由：低端功率晶体驱动管，高端功率晶体驱动 管，电平转换器，输入逻辑电路等组成。 图1 IR2181S优点是可靠性高，外围电路简单。它驱动的 MOSFET高压侧电压可以达到600V，最大输出电流可达到19A (高端)23A(低端)。 具体设计电路时如将MOSFET或IGBT作为高压侧开关 (漏极直接接在高压母线上)需在应用的时候需要注意以下几 点： (1)栅极电压一定要比漏极电压高1015V，作为高压侧开 关时，栅极电压是系统中电压最高的。 (2)栅
3、极电压从逻辑上看必须是可控制的，低压侧一般是以 地为参考点的，但在高端是就必须转换成高压侧的源极电位，相 当于将栅极驱动的地悬浮在源极上，所以在实际应用中栅极控 制电压是在母线电压之间浮动的。 (3)栅极驱动电路吸收的功率不会显著影响整个电路的效 率。 图2是以IR2181S驱动芯片设计的三相全桥电路： 图2中应用到三个IR2181S驱动芯片每路驱动一组桥臂， 提供高端和低端两路驱动信号(HO*，LO*)，以第一路桥臂为例 (其它同理)：IR2181S输入是由DSP或其他专用驱动信号发生 芯片产生的高端和低端两路驱动信号，经过2181输出同样也为 两路，但经过2181内部处理后输出的信号和输入
4、控制信号完全 隔离，输出电流可以达到2A，上图中IR218S低端输出(LO1)驱 动下管的信号是以直流母线侧负端为参考点，输出信号幅值大 概在15V左右满足MOSFET开通要求。高端输出是以u1为参 考基准，电位浮在母线上，当上端开通时IR2181S通过自举电路 (C4，C5)将电压举升到栅极开启电压值。其电压值约为： UG=U母线+15V 童瀛鸯疆 一2 l 1L f T l f 薄 ： 荨 l I_ LLJU l_ 上_j l _Ll_ U 善= ； 亭 _ 一 lI， 图2 上述电路中(以02为例)电容C4，C5和自举二极管组成的 泵电路，其中自举电容和自举二极管等参数都是要经过精密计
5、算的，其工作原理和计算方法如下： (1)工作原理：当电路工作时Vs被拉倒地(输出接负载) +15V通过二极管给自举电容C4，C5充电也因此给Vs一个工 作电压满足了电路工作。 (2)参数设计：计算电容参数时应考虑到以下几点， (MGT栅极电荷； 高压侧栅极静态电流； )2181内部电平转换电路电流； MGT G和s之间的电流。(备注：因自举电路一般选择非 电解电容设计时电容漏电流可以忽略。) 此公式给出了对自举电容电荷的最小要求； Q=2Qg+Iqbsf+Qls+Icbsf 注： 为高端MOSFET栅极电荷。 f为系统工作频率。 Icbs为自举电容漏电流(本电路为非电解电容可忽略不 计)。 作
6、者简介：李文谨(1981一)，女，安徽合肥人，助教，硕士研究生，安徽新华学院电子工程学院教师，主要从事电力电子技术教学科研工作。 0 2010年第4期 技经济市场 Qls为每个周期内电平转换电路对电荷的要求。(500600V IC为5nc 1200V IC为20nc)。 Iqbs为高端驱动电路静态电流。 上述计算的电荷量是保证芯片正常工作的前提条件，只有 保证自举电容能提供足够的电荷和稳定的电压才不会使Vbs产 生大的纹波IR2181S内部才能正常工作。为了减小纹波我们一 般增加自举电容的电荷量，一般为计算值的23倍，其电容值应 为： C I32Qg+Iqbsf+Qls+IcbsfVccVf-
7、Vls 式中：Vf为自举二极管正向压降 Vls为低端MOSFET自身压降或负载上的压降。 由上式计算的电容值为理论值实际应用时如选择的电容值 太小或考虑到电容老化和线路的分布电容等问题是会造成电路 电容过充电从而造成Ic的损坏，因此根据经验实际应用的电容 值应是计算值的lOl5倍这样才能有效减小Vbs的纹波系统可 靠性才能提高。 自举二极管的选择应遵循：当高压侧MOSFET开通时二极 管应能快速的截止高压阻止向+15V回馈电荷。二极管Vrrm= 直流母线电压最大恢复时间Trr=lO0ns If=Qbs X fo 另外在电路工程化时更要注意PCB布板的细节。 (1)电容要尽量布在Ic管脚附近避免
8、线路太长，同时尽量 减小IR2181S高低端输出所包含的面积，减小分布电感和电容。 (2)IR2181S输出最好和MOSFET直接连接尽量少用接线端 子，如不能直接相连可用屏蔽线或双绞线连接并且三路输出尽量 不要平行。 D 图3 (3)为保证栅极电压稳定可采取图2的电路即栅源之间并 联一个由10K0。25w和稳压管IN4744组成的保护电路的的电 阻。 图3为推荐PCB方式。 在图4中每只MOSFET都采用了快速二极管和电阻并联 再串联电容的吸收电路效果十分明显(适用于中功率电路)。 t- _J疰 _J匿 Itt Vd 图4 图4中c为缓冲电容，R为放电电阻， 为电压上升限制 时间。 电容容量
9、C=Im*TVd放电电阻R的选择应遵循当c充满 电后MOSFET开通时电容的放电电流IR不能太大同时也要保 证在MOSFET在一个开通周期内C上的电要能全部放完。即： IR=VdR RC=(13-15)Ton 电阻的功率PR=CV2dXf2 随着现代电子工艺的发展，功能像IR2181S一样的集成驱 动芯片会越来越多，像316J，A3120等芯片在电路中都有大量的 运用，它们对提高电路稳定性，和简化电路结构起了很大的作 用，我们只要熟悉它们的工作原理就能在电路设计中得心应手 了。 参考文献： 【1李爱文，张承慧现代逆变技术及其应用科学出版社，2000 (上接第10页) 床，较快适应所从事的工作。
10、 44同步结合职业技能鉴定工作，强调专业知识联系培养目 标。 当前数控高级职业资格证的鉴定工作分为仿真考试和技能 考试，常规技能考试占机时问长。采用数控加工仿真系统软件辅 助考试，考生拿到零件图纸后，先在数控加工仿真系统中手工编 程，校验合格后将程序通过数据传输送入数控机床进行加工，这 样使占机时间至少缩短50，鉴定效率大为提高，同时也大大提 高了鉴定时的安全性。 5数控加工仿真系统使用中应注意的事项 仿真软件是由于数控设备缺少应运而生的，其目的主要是 尽可能代替数控机床进行实践操作学习，增加工位。可数控仿真 软件毕竟是虚拟的数控机床，它没有切削用量概念，操作者可以 随意的进刀而不会撞刀和崩刀
11、，看不到工件加工质量，机床装刀 与换刀，工件的测量完全依靠软件，忽略了机械基础知识。仿真 软件的这些缺点都会使学习者丢失相关意识，软件学习后进行 操作时也会忽略切削用量，势必带来不良后果。为了防止以上副 2010年第4期 作用，要求教师在进行软件仿真学习过程中重点介绍实际操作 过程，让学生完全按切削用量进行仿真，告诉学生软件操作和机 床实际操作的区别。 总之，数控加工仿真软件在教学和鉴定中的应用尚在起步 与研究探索阶段，由于软件仿真和实际操作尚存在差距，因此， 我们的数控教学只能用软件仿真进行初期感性训练和基本程序 与指令代码的练习，而不能把整个教学活动完全放在软件上，在 平时的教学中还要积极思考在应用中产生的问题，主动采取应 对措施。只要正确发挥其在教学和鉴定中的作用，就一定能收到 事半功倍的效果。 参考文献： 【1】黄梓平改革课程体系加强技能训练提高综合素质】青海大学学 报2002 2】黄克孝构建高等职业教育课程体系的理论思考I1职业技术教育， 2004 3】王建平高职数控编程课程教学改革探析卟长沙航空职业技术学 院学报，2006 【4】朱丽军数控仿真应用软件实训M】机械工业出版社，2008(5) 【5】黄志辉数控加工编程与操作M北京：电子工程出版社，2008(8)
