自舉式電路在電力電子變換器中的應用

自舉式電路在電力電子變換器中的應用

1橋臂的驅(qū)動和保護鎖自從美國rin開始銷售imu總裁以來，這種適合于功率mosft和igit輸出的自動集成電路已在電源轉(zhuǎn)換、功率譜分布模式等重要領域得到了廣泛應用。其主要原因是,該電路芯片體積小(DIP14)、集成度高(可驅(qū)動同一橋臂兩路)、響應快(典型ton/toff=120/94ns)、偏值電壓高(<600V)、驅(qū)動能力強、內(nèi)設欠壓封鎖,而且其成本低、易于調(diào)試,并設有外部保護封鎖端口。尤其是上管驅(qū)動采用外部自舉電容上電,使得驅(qū)動電源路數(shù)目較其他IC驅(qū)動大大減小。對于典型的六管構成的三相橋式逆變器,采用三片IR2110驅(qū)動三個橋臂,僅需要一路10～20V電源。這樣在工程上大大減少了控制變壓器體積和電源數(shù)目,降低了產(chǎn)品成本和減小了體積,提高了系統(tǒng)可靠性。但IR2110使用不當,尤其是自舉電容選擇不好,易于造成芯片損壞或不能正常工作。為此,通過作者在幾個科研項目中的應用體會,就其在常見的幾種不同結構電力電子變換器中的應用進行了研究,介紹了自舉電容選擇方法,并總結了幾點應用技巧。2c2容量選擇IR2110典型接線如圖1所示,其中VDD采用5～20V電源,適應TTL或CMOS邏輯信號輸入,VCC為10～20V功率管門極驅(qū)動電源,由于VSS可與COM連接,則VCC與VDD可共用同一個典型值為+15V的電源。圖1中,C2為自舉電容,VCC經(jīng)VD1、C2、負載、VT2給C2充電,以確保VT2關閉、VT1開通時,VT1管的柵極靠C2上足夠的儲能來驅(qū)動,從而實現(xiàn)自舉式驅(qū)動。若負載阻抗較大,C2經(jīng)負載降壓充電較慢,使得VT2關斷、VT1開通,C2上的電壓仍充電不到自舉電壓以上時輸出驅(qū)動信號會因欠壓被片內(nèi)邏輯封鎖,VT1就無法正常工作。為此,要么選用小容量電容,以提高充電電壓;要么為C2提供快速充電通路;要么取掉VD1,直接給VB、VS加另一個10～20V隔離電源。對于全橋型逆變器,由于A、B兩端連在一起。無需經(jīng)過負載充電,這種形式自舉工作僅是C2選擇問題,易于處理。顯然每個周期VT1開關一次,C2就通過VT2開關充電一次,因此自舉電容C2的充電還與輸入信號HIN、LIN的PWM脈沖頻率和脈沖寬度有關,當PWM工作頻率過低時,若VT1導通脈寬較窄,自舉電壓8.3V容易滿足;反之無法實現(xiàn)自舉。因此,要合理設置PWM開關頻率和占空比調(diào)節(jié)范圍,C2的容量選擇考慮如下幾點:(1)PWM開關頻率高,C2應選小。(2)盡量使自舉上電回路不經(jīng)大阻抗負載,否則應為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,VT2開通時間較短,C2應選小,否則,在有限時間內(nèi)無法達到自舉電壓。(4)C2的選擇應綜合考慮PWM變化的各種情況,監(jiān)測H0、VS腳波形進行調(diào)試是最好的方法。對于三相橋式逆變器采用三片IR2110是中小型功率變換的理想選擇,驅(qū)動電源僅用一路典型15V電源由于三相逆變器每個周期總有一個上下管導通,故上管自舉電容容易充電,三個上管自舉電路可有序工作,但對于以下幾種特殊結構變換器則應采用一定的技巧。3應用實例分析3.1次負載模式分析這種拓撲結構如圖2所示,它非常適應于單端正激或反激開關電源、三相6/4結構開關磁阻電機調(diào)速等場合,由于VT1、VT2同時開或關,故自舉上電回路必然經(jīng)過負載。解決方法是:(1)采用小容量電容,對負載性質(zhì)進行分析;(2)為自舉電容C2另提供一條通路,如圖3所示,當HIN、LIN同為高電平時,VT1、VT2導通,VQ1導通,VQ2截止,,不影響主電路正常工作。HIN、LIN同為低電平時,VT1、VT2截止,VQ1截止,VQ2導通,為C2提供充電通路。C2自舉回路不經(jīng)負載,在VT1和VQ2之間加入死區(qū),以防止直通短路。這樣改進后,還可適合VT1和VT2交替開通斬波的控制策略,從而降低單管開關損耗;(3)為了避免電路繁瑣及死區(qū)設置,可取掉VD1,在IR2110的VB、VS腳另加一路隔離電源,這樣就無需自舉供電,這種方法適于一切自舉困難的情況。3.2管驅(qū)動+kd如圖4a為BUCK變換器,適于DC/DC降壓變換器。驅(qū)動方法可不采用IR2110下管驅(qū)動,僅用一路上管驅(qū)動。上管電源與VDD共用一個電源,但需要一個二極管VD1,以防VB過高反串影響VDD,這種方法無自舉問題,C2僅用作去耦。圖4b可作為單端反激或正激開關電源、電磁閥驅(qū)動或Boost升壓DC/DC變換器,該電路無自舉問題。3.3ir210驅(qū)動電路該拓撲結構適于直流電機調(diào)速、單相交流電機變頻調(diào)速、半橋開關電源、單相交流電源等場合,由于VT1、VT2作為串聯(lián)橋臂,交替開關,十分適應采取IR2110驅(qū)動,自舉回路不經(jīng)過負載,僅僅選擇C2大小即可,驅(qū)動電路如圖5a所示,該電路屬于IR2110的經(jīng)典電路。圖5b為四相8/6結構開關磁阻電機功率變換器,可由兩片IR2110來驅(qū)動,或模擬圖3的方法來解決,或引入兩路隔離電源來解決VT1、VT2的供電。3.4驅(qū)動波形tt這種結構適于全橋開關電源、直流正反轉(zhuǎn)調(diào)速、單相交流電源、單相交流電機調(diào)速等場合,如圖6所示,其工作方法是使VT1、VT4或VT2、VT3同開、關來完成PWM斬波。但這種方法不適應IR2110實現(xiàn)自舉,改進方法是由于上、下管之間無負載串入,為此,將圖的驅(qū)動波形改為圖即可。這種方法是從波形上改進的,圖7a僅是VT1、VT4正向通電情況,相當直流電機正轉(zhuǎn),反轉(zhuǎn)波形是將VT1、VT4和VT2、VT3對調(diào),這樣H橋輸出電壓Uo=δUI,δ=t1/T為PWM波占空比。圖7b是將VT1、VT4截止段用作VT2、VT3導通,為C2實現(xiàn)自舉上電,設VT1、VT4脈寬為t1周期為T,VT2、VT3脈寬為t2,則加在負載上輸出電壓為Uo=(t1-t2)UI/(t1+t2),忽略死區(qū)時間Δ,則T=t1+t2。那么H橋輸出電壓Uo=UI[t1/T-(1-t1/T)]=(2δ-1)UI=ρUI,可見圖7b的波形相當于雙極性PWM,其占空比ρ=2δ-1,當δ=0.5時,ρ=0,當δ1=0～0.5時,ρ=-1～0,當δ1=0.5～1時,ρ=0～1。4方式節(jié)省印刷時的驅(qū)動電以上討論可看出,I