集成IGBT驅(qū)動(dòng)電路IR2110原理電路圖

集成IGBT驅(qū)動(dòng)電路IR2110原理電路圖IR2110是一種雙通道高壓，高速電壓型功率開關(guān)器件柵極驅(qū)動(dòng)電路，其有自舉浮動(dòng)電源，驅(qū)動(dòng)電路非常簡單，只用一路電源可同時(shí)驅(qū)動(dòng)上、下橋臂。但I(xiàn)R2110有它本身的缺陷，不能產(chǎn)生負(fù)壓，在抗干擾方面比較薄弱。1.IR2110的主要特點(diǎn)及功能原理

IR2110采用14引腳DIP封裝，引腳排列如下圖(a)所示，其內(nèi)部功能原理框圖如圖(b)所示。IR2110各引腳的功能分別是：①腳(LO))是低端輸出通道；②腳(COM)是公共端；③腳(Vcr)是低端固定電源電壓端；⑤腳(Us)是高端浮置電源偏移電壓端；⑥腳(UB)是高端浮置電源電壓端；⑦腳(HO)是高端輸出通道：③腳(VDO)是邏輯電路電源電壓端；⑩腳(HIN)、11腳(SD)、12腳(LIN)均是邏輯輸入端；13腳(VSS)是邏輯電路地電位端，外加電源電壓端，該端電壓值可以為0v；④腳、⑧腳、14腳均為空腳。IR2110

IGBT驅(qū)動(dòng)電路由邏輯輸入、電平轉(zhuǎn)換、保護(hù)、上橋臂側(cè)輸出和下橋臂側(cè)輸出等單元電路構(gòu)成。邏輯輸入端采用施密特觸發(fā)電路，以提高抗干擾能力。邏輯輸入電路與TTL/COMS電平兼容，其輸入端閾值為電源電壓UDO的10%，各通道相對(duì)獨(dú)立。由于邏輯信號(hào)均通過電平耦合電路連接到各自的通道上，容許邏輯電路參考地（VSS）與功率電路參考地(COM)之間有-5～+15V的偏移量，并且能屏蔽小于50ns的脈沖，這樣便具有較理想的抗噪聲效果。兩個(gè)高壓MOS管推挽IGBT驅(qū)動(dòng)電路的最大灌入或輸出電流可達(dá)2A，上橋臂通道可以承受500V的電壓。輸人與輸出信號(hào)之間的傳導(dǎo)延時(shí)較小，開通傳導(dǎo)延時(shí)為120ns，關(guān)斷傳導(dǎo)延時(shí)為95ns。電源端UCC的典型值為15V，邏輯電源和模擬電源共用一個(gè)15V電源，邏輯地和模擬地接在一起。輸出端設(shè)有對(duì)IGBT驅(qū)動(dòng)電路電源的欠壓保護(hù)，當(dāng)電源電壓低于8.2V時(shí)，封鎖驅(qū)動(dòng)輸出。

IR2110采用HVIC和閂鎖抗干擾CMOS工藝制作，具有獨(dú)立的高端和低端輸出通道；浮置電源采用自舉電路，其高端工作電壓可達(dá)500V，duldt=土50V/ns，在15V下的靜態(tài)功耗僅有1.6mW；輸出的柵極驅(qū)動(dòng)電壓范圍為10~20V，邏輯電源電壓范圍為5~15V，邏輯電源地電壓偏移范圍為-5~+5V。

2.IR2110的電氣特性

（1）額定值

IR2110

IGBT驅(qū)動(dòng)電路的電氣特性參數(shù)額定值見下表：（2）推薦工作條件

IR2110

IGBT驅(qū)動(dòng)電路的推薦工作條件見下表：(3)IR2110IGBT驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)點(diǎn)

IR2110IGBT驅(qū)動(dòng)電路具有以下優(yōu)點(diǎn)；

①自舉懸浮驅(qū)動(dòng)電源可同時(shí)驅(qū)動(dòng)同一橋臂的上、下兩個(gè)開關(guān)器件，驅(qū)動(dòng)500V主電路系統(tǒng)，工作頻率高，可以達(dá)到500kHz。

②具有電源欠壓保護(hù)關(guān)斷邏輯。

③輸出用圖騰柱結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)峰值電流為2A。

④兩通道設(shè)有低壓延時(shí)封鎖(50ns)。

⑤芯片還有一個(gè)封鎖兩路輸出的保護(hù)端SD，在該端輸入高電平時(shí)，兩路輸出均被封鎖。

IR2110的優(yōu)點(diǎn)給實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來了極大方便，特別是自舉懸浮驅(qū)動(dòng)電源大大簡化了驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)，只用一路電源即可完成上下橋臂兩個(gè)功率開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)。3．IGBT驅(qū)動(dòng)電路的抗干擾技術(shù)

(1)電平鉗位

IR2110不能產(chǎn)生負(fù)偏壓，如果用于驅(qū)動(dòng)橋式電路，在半橋電感負(fù)載電路下運(yùn)行，處于關(guān)斷狀態(tài)下的IGBT由于其反并聯(lián)二極管的恢復(fù)過程，將承受集電極-發(fā)射極聞電壓的急劇上升。此靜態(tài)的du/dt通常比IGBT關(guān)斷時(shí)的上升率高。由于電容密勒效應(yīng)的影響，此du/dt在集電極-柵極間電容內(nèi)產(chǎn)生電流，流向柵極驅(qū)動(dòng)電路，如下圖所示。雖然在關(guān)斷狀態(tài)下柵極電壓UGE為零，由于柵極電路的阻抗（柵極限流電阻RG、引線電感LG），該漏電流使UGE增加，趨向于UGE(th)。最惡劣的情況是使該電壓達(dá)到閾值電壓，該IGBT將被開通，導(dǎo)致橋臂短路。IR2110驅(qū)動(dòng)輸出阻抗不夠小，沿柵極的灌入電流會(huì)在驅(qū)動(dòng)電壓上加上比較嚴(yán)重的毛刺干擾。針對(duì)IR2110的不足，在實(shí)際應(yīng)用中需對(duì)輸出驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行改進(jìn)，其改進(jìn)方法是在柵極限流電阻上反并聯(lián)一個(gè)二極管，但此方法在大功率下效果不太明顯。對(duì)于大功率IGBT，可采用如下圖所示的電路，在關(guān)斷期間將柵極驅(qū)動(dòng)電平鉗位到零電平。在橋臂上管開通期間，驅(qū)動(dòng)信號(hào)使VT1導(dǎo)通、VT2截止。上管關(guān)斷期間，VT1截止，VT.2基極呈高電平而導(dǎo)通，將上管柵極電位拉到低電平（三極管的飽和壓降）。這樣，由于電容密勒效應(yīng)產(chǎn)生的電流從VT2中流過，柵極驅(qū)動(dòng)波形上的毛刺可以大大減小。下管同理。

(2)負(fù)壓電路

在大功率IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中，各路驅(qū)動(dòng)電源獨(dú)立，集成驅(qū)動(dòng)電路一般都有產(chǎn)生負(fù)壓的功能，如EXB841系列、M57957系列等，在IGBT關(guān)斷期間在柵極上施加負(fù)電壓，一般為-5V。其作用也是為了增強(qiáng)IGBT關(guān)斷的可靠性，防止由于電容密勒效應(yīng)而造成IGBT誤導(dǎo)通。IR2110芯片內(nèi)部雖然沒有產(chǎn)生負(fù)壓的功能，但可以通過外加幾個(gè)無源器件來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生負(fù)壓的功能，如下圖所示。在上、下管驅(qū)動(dòng)電路中均加上由電容C5和C6以及5V穩(wěn)壓管ZD1和ZD2.組成的負(fù)壓電路，其工作原理為：電源電壓UCC為20V，在上電期間，電源通過R給C6充電，C6上保持5V的電壓。在LIN端為高電平時(shí)，LO端輸出20V高電平，這時(shí)加在下管S2柵極上的電壓為20V-5V=15V，IGBT正常導(dǎo)通。當(dāng)LIN端輸入低電平時(shí)．I.O端輸出為0V，此時(shí)S2柵極上的電壓為-5V，從而實(shí)現(xiàn)關(guān)斷時(shí)所需的負(fù)壓。對(duì)于上管S1，HIN端輸入高電平時(shí)，HO端輸出20V電壓，加在S1柵極上的電壓為15V。當(dāng)HIN端為低電平時(shí)，HO端輸出為0V，S1柵極電壓為-5V。由于IGBT為電壓型IGBT驅(qū)動(dòng)電路件，所以負(fù)壓電容C5，C6的電壓波動(dòng)較小，維持在5V，自舉電容上的電壓也維持在20V左右，只在下管S導(dǎo)通的瞬間有一個(gè)短暫的充電過程。IGBT的導(dǎo)通壓降一般小于3V，負(fù)壓電容C5的充電在S2導(dǎo)通時(shí)完成。對(duì)于C5、C6的選擇，要求其容量大于IGBT柵極輸入寄生電容Cies。自舉電容充電電路中的二極管VD1必須是快恢復(fù)二極管，應(yīng)留有足夠的電流裕量。此電路產(chǎn)生負(fù)壓的原理與一般的負(fù)壓驅(qū)動(dòng)芯片相同，直流母線上疊加了5V的電壓。(3)自舉電容及柵極限流電阻的選取

自舉電容由一個(gè)大電容和一個(gè)小電容并聯(lián)組成．在頻率為20kHz左右的工作狀態(tài)下選用1uF的電容和0.1uF的電容并聯(lián)使用。并聯(lián)高頻小電容用來吸收高頻毛刺干擾電壓。主電路上管的驅(qū)動(dòng)電壓波形峰頂不應(yīng)出現(xiàn)下降的現(xiàn)象。驅(qū)動(dòng)大容量的IGBT器件時(shí)，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，故應(yīng)選用較大容量的電容。

選擇適當(dāng)?shù)臇艠O限流電阻對(duì)IGBT驅(qū)動(dòng)來說相當(dāng)重要，因?yàn)閘GBT的開通和關(guān)斷是通過柵極電路的充放電來實(shí)現(xiàn)的，所以柵極電阻將對(duì)IGBT的動(dòng)態(tài)特性產(chǎn)生極大的影響。數(shù)值較小的柵極電阻使柵極電容的充放電較快，從而減小開關(guān)時(shí)間和開關(guān)損耗。同時(shí)較小的柵極電阻增強(qiáng)了IGBT器件的耐固性，避免du/dt帶來的誤導(dǎo)通，但與此同時(shí)它只能承受較小的柵極噪聲，并導(dǎo)致柵極發(fā)射極之間的電容同驅(qū)動(dòng)電路引線的寄生電感產(chǎn)生振蕩問題。另外，較小的柵極電阻還使得IGBT開通時(shí)di/dt變大，會(huì)導(dǎo)致較高的du/dt，增加了反向恢復(fù)二極管的浪涌電壓。在低頻應(yīng)用情況下，開關(guān)損耗不成為一個(gè)重要的考慮因素，柵極電阻增大可以提供較慢的開通速度，這時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮柵極的瞬態(tài)電壓和驅(qū)動(dòng)電流。對(duì)于不同電流容量的IGBT，其柵極限流電阻有不同的取值。一般是功率越大的IGBT的柵極電阻越小，同時(shí)對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)電路的布線也有嚴(yán)格要求，引線電感應(yīng)盡可能小。在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)具體的情況作調(diào)整，選取最合適的值。

采用IR2110設(shè)計(jì)IGBT驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體的應(yīng)用情況采用不同的抗干擾措施。

4．IR2110的典型應(yīng)用

(1)IR2110在Buck變換器中的應(yīng)用

下圖所示為采用IR2110驅(qū)動(dòng)Buck變換器中IGBT器件的電路。對(duì)自舉電容的初始充電是由UCC電源通過電感和濾波電容進(jìn)行的。為了確保自舉電容充電電壓不超過USS(20V)，這個(gè)LC諧振電路的Q值應(yīng)潑足夠小。如果Q值不是足夠小，就應(yīng)在自舉二極管支路中串聯(lián)一個(gè)電阻或在自舉電容上并聯(lián)一個(gè)齊納二極管。如果電路工作在連續(xù)電流模式下，則電源對(duì)自舉電容的充電就在續(xù)流二極管的導(dǎo)通期間進(jìn)行。在電流不連續(xù)模式下，如果續(xù)流二極管的導(dǎo)通時(shí)間非常短，電源對(duì)自舉電容的充電就通過濾波元件與負(fù)載來進(jìn)行。在上圖所示電路中，luF去耦電容應(yīng)與11、12和13腳在同一點(diǎn)接地，并與功率部分的接地點(diǎn)分開。

(2)IR2110在雙正激變換器中的應(yīng)用

下圖所示為IR2110在雙正激變換器中的應(yīng)用電路。在這種情況下，由于續(xù)流二極管的導(dǎo)通時(shí)間變得非常短，故為了確保自舉電容C1開通及在后續(xù)周期內(nèi)充滿電荷，電路中增加了3個(gè)元件R1、VT3和VT4。當(dāng)VT3和VT2截止時(shí)，VT4也截止，VT3飽和導(dǎo)通，將電容C1一端對(duì)地接通，使C1和C2能很快充電到15V左右，當(dāng)VT1和VT2導(dǎo)通時(shí)，VT4也導(dǎo)通，使VT3截止，從而使電容C1對(duì)地一端與VT1的發(fā)射極等電位，C1兩端電壓維持在15V不變，C1對(duì)地電位舉高，保證VT1柵壓高于發(fā)射極電壓，使VT1飽和導(dǎo)通。

(3)IR2110在三相橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中的應(yīng)用

下圖所示的是IR2110在三相橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中的應(yīng)用電路，在電路設(shè)計(jì)時(shí)要嚴(yán)格注意布局設(shè)計(jì)，這是由于波形中di/dt分量比較大，三組開關(guān)工作互為120度。應(yīng)特別注意，離共地點(diǎn)最遠(yuǎn)的IGBT驅(qū)動(dòng)電路會(huì)在IR2110的②腳和參考地之間承受最大的電壓降。另外還應(yīng)注意當(dāng)無刷直流電機(jī)鎖定轉(zhuǎn)子時(shí)，在橋的一臂斷開的情況下長時(shí)間工作時(shí)，IR2110⑤腳上所出現(xiàn)的不同電壓，此時(shí)自舉電容可能會(huì)放電，其結(jié)果是造成高端功率管在接受信號(hào)時(shí)并不工作，而低端功率管仍然在工作。為避免這種情況發(fā)生，可采取以下措施。

①如果電極在某一段時(shí)間內(nèi)不起作用，控制邏輯首先開通低端功率管。

②當(dāng)不需要導(dǎo)通時(shí)，控制電路要有一很窄的“正?！闭伎毡?。

③如果一電極在有限的和已知的時(shí)間內(nèi)不用，可根據(jù)這段時(shí)間來選取自舉電容的大小，以維持這段時(shí)間的電荷。

如果橋路是感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的一部分，可使用PWM技術(shù)合成正弦波，每一電極在低頻時(shí)以零或非常窄的占空比通過較長的時(shí)間間隔，自舉電容應(yīng)能保持足夠的電荷來確保這段時(shí)間內(nèi)不必充電。

在所示的電路中，高壓母線和邏輯電路之間的絕緣是由IR2110反偏結(jié)來保證的，這些結(jié)構(gòu)中如有一個(gè)結(jié)擊穿，都會(huì)對(duì)其余部件造成嚴(yán)重后果。為了避免發(fā)生這樣的問題，可用光電耦合器或脈沖變壓器作為隔離元件。IR2110在三相橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中的應(yīng)用

(4)IR2110在全橋變換器中的應(yīng)用

下圖所示為用兩片IR2110驅(qū)動(dòng)的全橋變換器電路。在該電路中，變換器低端與IR2110的關(guān)閉端設(shè)確電流檢測(cè)電路。該電流檢測(cè)電路的具體工作方法與變換器所要求的PWM技術(shù)、電源精度要求、有無負(fù)電源等因素有關(guān)。電路的關(guān)閉功能是鎖定的，這樣可以保證在負(fù)載電流通過IGBT內(nèi)部二極管衰減后，IGBT仍保持?jǐn)嚅_的狀態(tài)，鎖定只有在下個(gè)周期開始時(shí)才能復(fù)位。

電路中的寄生電感在開關(guān)快速工作時(shí)引起的高di/dt在IGBT上會(huì)產(chǎn)生過沖電壓，在電源線與功率管間加去耦電容可減小這種不良影響，但在電路布局時(shí)最好能緊密排列，減少電路中的寄生電感。這些寄生電感加上續(xù)流二極管的正向恢復(fù)效應(yīng)，將引起電源線上電壓的來回?cái)[動(dòng)（例如US端上的電壓可能會(huì)低千COM端的電壓）。U.端上的電壓可低到-4V．這是最低極限，如果超過這個(gè)極限，就會(huì)引起高端通道工作的不穩(wěn)定。

IR2110的開通與關(guān)斷傳輸延遲時(shí)