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1、驱动芯片IR2110功能简介 在功率变换装置中,根据主电路的结构,起功率开关器件一般采用直接驱动和隔离驱动两种方式.美国IR公司生产的IR2110驱动器,兼有光耦隔离和电磁隔离的优点,是中小功率变换装置中驱动器件的首选。1. IR2110引脚功能及特点简介 (1)IR2110引脚管LO(引脚1):低端输出COM(引脚2):公共端 Vcc(引脚3):低端固定电源电压 Nc(引脚4): 空端 Vs(引脚5):高端浮置电源偏移电压 VB (引脚6):高端浮置电源电压 HO(引脚7):高端输出 Nc(引脚8): 空端 VDD(引脚9):逻辑电源电压 HIN(引脚10): 逻辑高端输入 SD(引脚11)
2、:关断 LIN(引脚12):逻辑低端输入 Vss(引脚13):逻辑电路地电位端,其值可以为0V Nc(引脚14):空端 (2)IR2110的特点: (1)具有独立的低端和高端输入通道。(2)悬浮电源采用自举电路,其高端工作电压可达500V。(3)输出的电源端(脚3)的电压范围为1020V。(4)逻辑电源的输入范围(脚9)515V,可方便的与TTL,CMOS电平相匹配,而且逻辑电源地和功率电源地之间允许有 V的便移量。(5)工作频率高,可达500KHz。(6)开通、关断延迟小,分别为120ns和94ns。(7)图腾柱输出峰值电流2A。2.IR2110内部结构IR2110的内部结构和工作原理框图如
3、图4所示。图中HIN和LIN为逆变桥中同一桥臂上下两个功率MOS的驱动脉冲信号输入端。SD为保护信号输入端,当该脚接高电平时,IR2110的输出信号全被封锁,其对应的输出端恒为低电平;而当该脚接低电平时,IR2110的输出信号跟随HIN和LIN而变化,在实际电路里,该端接用户的保护电路的输出。HO和LO是两路驱动信号输出端,驱动同一桥臂的MOSFET。图4 IR2110内部结构3.IR2110自举电路设计原理IR2110包括:逻辑输入、电平转换、保护、上桥臂侧输出和下桥臂侧输出。逻辑输入端采用施密特触发电路,提高抗干扰能力。输入逻辑电路与TTLCOMS电平兼容,其输入引脚阈值为电源电压Vdd的
4、10,各通道相对独立。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 V5 V的偏移量,并且能屏蔽小于50 ns脉冲,这样便具有较理想的抗噪声效果。两个高压MOS管推挽驱动器的最大灌入或输出电流可达2 A,上桥臂通道可以承受500 V的电压。输入与输出信号之间的传导延时较小,开通传导延时为120 ns,关断传导延时为95 ns。电源VCC典型值为15 V,逻辑电源和模拟电源共用一个15 V电源,逻辑地和模拟地接在一起。输出端设有对功率电源VCC的欠压保护,当小于82 V时,封锁驱动输出。IR2110具有很多优点:自举悬浮驱动电源
5、可同时驱动同一桥臂的上、下两个开关器件,驱动500 V主电路系统,工作频率高,可以达到500 kHz;具有电源欠压保护相关断逻辑;输出用图腾柱结构,驱动峰值电流为2 A;两通道设有低压延时封锁(50 ns)。芯片还有一个封锁两路输出的保护端SD,在SD输入高电平时,两路输出均被封锁。IR2110的优点,给实际系统设计带来了极大方便,特别是自举悬浮驱动电源大大简化了驱动电源设计,只用一路电源即可完成上下桥臂两个功率开关器件的驱动。IR2110的典型应用电路如图2所示。R2110是一种双通道高压、高速电压型功率开关器件栅极驱动器,具有自居浮动电源,驱动电路十分简单,只用一个电源可同时驱动上下桥臂。
6、但是IR2110芯片有他本身的缺陷,不能产生负压,在抗扰方面比较薄弱,以下详细结合实验介绍抗干扰技术。(1)高压侧悬浮驱动的自举原理高端侧悬浮驱动的自举原理:IR2110驱动半桥的电路如图所示,其中C1,VD1分别为自举电容和自举二极管,C2为VCC的滤波电容。假定在S1关断期间C1已经充到足够的电压(VC1 VCC)。 当HIN为高电平时如图4.19 :VM1开通,VM2关断,VC1加到S1的栅极和源极之间,C1通过VM1,Rg1和栅极和源极形成回路放电,这时C1就相当于一个电压源,从而使S1导通。由于LIN与HIN是一对互补输入信号,所以此时LIN为低电平,VM3关断,VM4导通,这时聚集
7、在S2栅极和源极的电荷在芯片内部通过Rg2迅速对地放电,由于死区时间影响使S2在S1开通之前迅速关断。 当HIN为低电平时如图4.20:VM1关断,VM2导通,这时聚集在S1栅极和源极的电荷在芯片内部通过Rg1迅速放电使S1关断。经过短暂的死区时间LIN为高电平,VM3导通,VM4关断使VCC经过Rg2和S2的栅极和源极形成回路,使S2开通。在此同时VCC经自举二极管,C1和S2形成回路,对C1进行充电,迅速为C1补充能量,如此循环反复。(2)自举元件设计IGBT和PM(POWERMOSEFT)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
8、电压比较器件充分导通所需要的电压(10V,高压锁定电压为8.7/8.3伏)要高,再假定在自举电4.IR2110其他电路应用(1) 带电平箝位的IR2110驱动电路针对IR2110的不足,对输出驱动电路进行了改进,可以采用在栅极限流电阻上反并联一个二极管,但在大功率的环境下不太明显。本文介绍的第一种方法就是下面如图4所示电路。在关断期间将栅极驱动电平箝位到零电平。在桥臂上管开通期间驱动信号使Q1导通、Q2截止,正常驱动。上管关断期间,Q1截止,Q2栅极高电平,导通,将上管栅极电位拉到低电平(三极管的饱和压降)。这样,由于密勒效应产生的电流从Q2中流过,栅极驱动上的毛刺可以大大的减小。下管工作原理
9、与上管完全相同,不再累述。(2) IR2110负压产生电路在大功率IGBT场合,各路驱动电源独立,集成驱动芯片一般都有产生负压得功能,如EXB841系列,M57957系列等,在IGBT关断期间栅极上施加一个负电压,一般为35 V。其作用也是为了增强IGBT关断的可靠性。防止由于密勒效应而造成的误导通。IR2110芯片内部虽然没有产生负压功能,但可以通过外加几个无源器件来实现产生负压得功能,如图5所示。在上下管驱动电路中均加上由电容和5 V稳压管组成的负压电路。其工作原理为:电源电压为20 V,在上电期间,电源通过Rg给Cg充电,Cg保持5 V的电压,在LIN为高电平的时候,LO输出0 V,此时
10、S2栅极上的电压为5 V,从而实现了关断时负压。对于上管S1,HIN为高电平时,HO输出为20 V,加在栅极上的电压为15 V。当HIN为低电平时,HO输出0 V,S1栅极为5 V。IGBT为电压型驱动器件,所以负压负压电容C5,C6上的电压波动较小,维持在5 V,自举电容上的电压也维持在20 V左右,只在下管S2导通的瞬间有一个短暂的充电过程。IGBT的导通压降一般小于3 V,负压电容C5的充电在S2导通时完成。对于C5,C6的选择,要求大于IGBT栅极输入寄生电容Ciss。自举电容电电路中的二极管D1必须是快恢复二极管,应留有足够的电流余量。此电路与一般的带负压驱动芯片产生负压原理相同,直
11、流母线上叠加了5 V的电压。(3) IR2110结合隔离变压器电路上面2种方法已经得到了广泛的应用,但是也有他的缺点,首先电路比最简单的应用电路要复杂的多,其次所用的器件数目增多,成本增加,再次效果也并不是非常好,这主要是因为IR2110芯片本身很容易受到开关管的影响。负载增大,电压升高,IR2110的输出波形就会变得很混乱,所以用常规的变压器隔离和IR2110结合起来使用其电路图如6所示,这种电路结合了经典电路的部分内容,大大地减小了负载对驱动的影响,可以用于大功率场合,电路也比较简单,非常实用。其工作原理为:电源电压为20 V,在上电期间,电源通过Rg给Cg充电,Cg保持5 V的电压,在L
12、IN为高电平的时候,LO输出0 V,此时S2栅极上的电压为5 V,从而实现了关断时负压。对于上管S1,HIN为高电平时,HO输出为20 V,加在栅极上的电压为15 V。当HIN为低电平时,HO输出0 V,S1栅极为5 V。IGBT为电压型驱动器件,所以负压负压电容C5,C6上的电压波动较小,维持在5 V,自举电容上的电压也维持在20 V左右,只在下管S2导通的瞬间有一个短暂的充电过程。IGBT的导通压降一般小于3 V,负压电容C5的充电在S2导通时完成。对于C5,C6的选择,要求大于IGBT栅极输入寄生电容Ciss。自举电容电电路中的二极管D1必须是快恢复二极管,应留有足够的电流余量。此电路与一般的带负压驱动芯片产生负压原理相同,直流母线上叠加了5 V的电压。