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1 引言 驅動IGBT電壓型功率器件有多種具有保護及隔離功能的集成驅動模塊。這些模塊具有多種保護功能、隔離驅動、電路參數一致性好、運行穩定可靠等優點，但其相對價格較高，且只能驅動單個功率管。而IR2110是雙通道高壓、高速電壓型功率開關器件柵極驅動器，具有自舉浮動電源。驅動電路簡單，只需一路電源即可同時驅動上、下橋臂，但存在不能產生負偏壓，在抗干擾方面較薄弱等缺陷。這里從保護、抗干擾等方面對該模塊進行優化設計，使其優點更突出，從而使用范圍更廣泛。 2 IR2110功能模塊 圖1為IR2110內部結構框圖。IR2110采用CMOS工藝制作，邏輯電源電壓范圍為5-20 V，適應TTL或CMOS邏輯信號輸入，具有獨立的高端和低端2個輸出通道。由于邏輯信號均通過電平耦合電路連接到各自的通道上，允許邏輯電路參考地 (Vss)與功率電路參考地(COM)之間有-5～+5 V的偏移量，并能屏蔽小于50 ns的脈沖。采用CMOS施密特觸發輸入，以提高電路的抗干擾能力。IR2110由邏輯輸入、電平平移及輸出保護組成。邏輯輸入電路與TTL／CMOS電平兼容；邏輯電源地(Vss)和功率地(COM)之間允許有±5 V的偏移量；工作頻率高，可達500 kHz；開通、關斷延遲小，分別為120 ns和94 ns：輸出峰值電流可達2 A，上橋臂通道可承受500 V的電壓。自舉懸浮驅動電源可同時驅動同一橋臂的上、下兩個開關器件，大大簡化了驅動電源設計。 
3 驅動電路的優化設計 3．1 輸入、輸出信號處理 該驅動電路將從光纖輸入的信號處理變為驅動信號輸出，且當信號出現過流時輸出一個阻斷信號到系統的控制部分，由控制部分停止PWM信號的輸出，關斷 IGBT管，如圖2所示。 在大中功率場合下，開關管開通關斷的du／dt、di／dt很高，很容易對控制電路等弱電信號造成干擾，嚴重威脅功率逆變器的安全運行。因此采用光纖連接器隔離主電路和控制電路，光纖連接器實現PWM控制信號的遠距離傳輸，延時小且可消除來自功率開關器件的干擾。
由圖2可知，光接收器接收到信號(即有PWM信號到來)時為低電平，而與非門U1的另一端接+15 V為高電平，通過與非門U1后為高電平，再通過異或門U2、與門U3接收到信號，該信號接到IR2110的低通道輸入端LIN，用來驅動IR2110一端的IGBT。異或門U6，與非門U5，電阻R1和電容C3組成確認脈沖發生電路。每當輸入信號發生跳變時，異或門U6輸出一個正脈沖，其寬度由電容C3和電阻R1決定，并通過光纖發送器發出。當IGBT過流時，OVC為低電平，其低電位反饋到U3的輸入端，使DRG強置為高電平，從而使IGBT關斷。此時 SO端也將出現低電平，輸出光纖將狀態傳送至系統控制部分。由系統發出信號統一關斷IGBT管。 3．2 保護電路 IR2110自帶保護功能，輸入端SD可實現過電流保護控制功能，但在驅動大中功率IGBT管時應慎用，因為大電流下關斷di／dt很大，控制及驅動電路屏蔽不好的情況下會產生很大的干擾信號，容易引起SD端保護誤動作，在強感性大電流下關斷驅動會導致直流母線上的高壓毛刺，而IR2110允許的最高電壓只有500 V，很可能使驅動模塊失效而燒壞IGBT模塊。因此這里重新設計保護電路，使其能更好保護封鎖信號，如圖3所示。
保護電路處理過流和欠壓檢測信號，完成過流保護和欠電壓保護，整個保護電路的核心是LM555。 (1)過流保護電路 圖3中，二極管VD3，電阻R14、R16、R15，電容C6，MOS管VQ4組成過流反饋電路，與R11、R12及穩壓管VD2組成的參考電壓相比較；R8、R9、R10、C4與MOS管VQ3組成阻斷時間電路。當有信號輸入時(IGBT導通)，MSURE信號為低電平，VQ4截止，C極的電壓反饋到LM555的引腳6；當無信號輸入時(IGBT截止)，VQ4導通，則LM555引腳6的電壓為0 V。在IGBT導通期間，當VCE(C極相對于E極的電壓)超過一定值時，V6E(LM555的引腳6相對于E極的電壓)大于V5E(LM555的引腳5 相對于E極的電壓)，LM555引腳7輸出為低電平，即OVC為低電平，啟動過流保護，經阻斷時間后恢復正常；否則，引腳7為門極開路，電路工作正常。 (2)欠壓保護電路 該電路由圖3中的電阻R5、R6、R7，晶體管VQ2及穩壓管VD1組成。正常狀態下，晶體管VQ2導通，LM555的RESET信號(引腳4)不起作用；當給定電壓低到一定值時，LM555的引腳4為0 V，RESET信號起作用，使LM555處于復位狀態，引腳7即OVC為低電平，保護電路啟動。 3．3 負偏壓電路 IR2110的另一不足是不能產生負偏壓。在大功率IGBT驅動場合，各路驅動電源獨立，集成驅動器一般都能產生負壓，-5 V。用于增強IGBT關斷的可靠性，防止由于密勒效應而造成誤導通。IR2110器件內部雖不能產生負壓，但可通過外加無源器件產生負壓，如圖4所示。
在上、下管驅動電路中均增加由電容和5 V穩壓管組成的負壓電路。其工作原理為：電源電壓Vcc為20 V。在上電期間，電源通過R10為C11充電，C11保持5 V電壓。LIN為高電平時，LO相對COM輸出20 V的高電平，這時加在下管VG1的電壓為15 V，IGBT正常導通。當LIN輸入為低電平時，LO輸出O V，此時VG1的電壓為-5 V，實現關斷時負壓。同理，對于上管VG2，HIN輸入高電平時，HO輸出20 V，加在VG2的電壓為15 V。當HIN為低電平時，HO輸出0 V，VG2電壓為-5 V。選擇的C11，C12要大于IGBT柵極輸入寄生電容Ciss。自舉電容充電電路中的二極管VD4必須是快恢復二極管，以保證在有限時間內快速導通。 4 結論 通過對驅動模塊IR2110的分析研究，在其驅動電路簡單、可獨立高端和低端輸出驅動通道等基礎上，針對其一些不足。設計實用性較強的優化驅動電路，使該模塊在使用中能更有效地對IGBT進行驅動、控制和過流保護。 參考文獻 1. 倚鵬.高壓大功率變頻器技術原理與應用[M].北京:人民郵電出版社,2008. 2. International Rectifier Corporation.IR2110 (S)/IR2113 (S)D ata Sheet[EB/OL].2005.www.irf.com. 3. 楚斌.IR2110功率驅動集成芯片應用[J].電子工程師,2004,30(10):33,43,53. 4. 李曉東,王京,張勇軍,等.大功率三電平逆變器中IGBT驅動和保護的研究[J].工礦自動化,2007(3):64-67. 5. 何存福,用龍,宋國榮,等.基于DSP的直流電機驅動控制電路設計[J].測控技術,2007,26(1):64-67. 6. 麥明就.IR2110在三電平逆變器中的應用[J].中國科技信息,2008(8):137-138. 作者：張明 章國寶 東南大學自動化學院,江蘇,南京,210096 來源：電子設計工程 2009-12 |
