IR2110驱动电路的优化设计

IR2110驱动电路的优化设计Time:2010-08-0310:41:34Author:Source:电子设计工程分享到：张明章国宝东南大学自动化学院，江苏南京2100961引言驱动IGBT电压型功率器件有多种具有保护及隔离功能的集成驱动模块。这些模块具有多种保护功能、隔离驱动、电路参数一致性好、运行稳定可靠等优点，但其相对价格较高，且只能驱动单个功率管。而IR2110是双通道高压、高速电压型功率开关器件栅极驱动器，具有自举浮动电源。驱动电路简单，只需一路电源即可同时驱动上、下桥臂，但存在不能产生负偏压，在抗干扰方面较薄弱等缺陷。这里从保护、抗干扰等方面对该模块进行优化设计，使其优点更突出，从而使用范围更广泛。2IR2110功能模块图1为IR2110内部结构框图。IR2110采用CMOS工艺制作，逻辑电源电压范围为5-20V，适应TTL或CMOS逻辑信号输入，具有独立的高端和低端2个输出通道。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～+5V的偏移量，并能屏蔽小于50ns的脉冲。采用CMOS施密特触发输入，以提高电路的抗干扰能力。IR2110由逻辑输入、电平平移及输出保护组成。逻辑输入电路与TTL／CMOS电平兼容；逻辑电源地(Vss)和功率地(COM)之间允许有±5V的偏移量；工作频率高，可达500kHz；开通、关断延迟小，分别为120ns和94ns：输出峰值电流可达2A，上桥臂通道可承受500V的电压。自举悬浮驱动电源可同时驱动同一桥臂的上、下两个开关器件，大大简化了驱动电源设计。3驱动电路的优化设计3．1输入、输出信号处理该驱动电路将从光纤输入的信号处理变为驱动信号输出，且当信号出现过流时输出一个阻断信号到系统的控制部分，由控制部分停止PWM信号的输出，关断IGBT管，如图2所示。在大中功率场合下，开关管开通关断的du／dt、di／dt很高，很容易对控制电路等弱电信号造成干扰，严重威胁功率逆变器的安全运行。因此采用光纤连接器隔离主电路和控制电路，光纤连接器实现PWM控制信号的远距离传输，延时小且可消除来自功率开关器件的干扰。由图2可知，光接收器接收到信号(即有PWM信号到来)时为低电平，而与非门U1的另一端接+15V为高电平，通过与非门U1后为高电平，再通过异或门U2、与门U3接收到信号，该信号接到IR2110的低通道输入端LIN，用来驱动IR2110一端的IGBT。异或门U6，与非门U5，电阻R1和电容C3组成确认脉冲发生电路。每当输入信号发生跳变时，异或门U6输出一个正脉冲，其宽度由电容C3和电阻R1决定，并通过光纤发送器发出。当IGBT过流时，OVC为低电平，其低电位反馈到U3的输入端，使DRG强置为高电平，从而使IGBT关断。此时SO端也将出现低电平，输出光纤将状态传送至系统控制部分。由系统发出信号统一关断IGBT管。3．2保护电路IR2110自带保护功能，输入端SD可实现过电流保护控制功能，但在驱动大中功率IGBT管时应慎用，因为大电流下关断di／dt很大，控制及驱动电路屏蔽不好的情况下会产生很大的干扰信号，容易引起SD端保护误动作，在强感性大电流下关断驱动会导致直流母线上的高压毛刺，而IR2110允许的最高电压只有500V，很可能使驱动模块失效而烧坏IGBT模块。因此这里重新设计保护电路，使其能更好保护封锁信号，如图3所示。保护电路处理过流和欠压检测信号，完成过流保护和欠电压保护，整个保护电路的核心是LM555。(1)过流保护电路图3中，二极管VD3，电阻R14、R16、R15，电容C6，MOS管VQ4组成过流反馈电路，与R11、R12及稳压管VD2组成的参考电压相比较；R8、R9、R10、C4与MOS管VQ3组成阻断时间电路。当有信号输入时(IGBT导通)，MSURE信号为低电平，VQ4截止，C极的电压反馈到LM555的引脚6；当无信号输入时(IGBT截止)，VQ4导通，则LM555引脚6的电压为0V。在IGBT导通期间，当VCE(C极相对于E极的电压)超过一定值时，V6E(LM555的引脚6相对于E极的电压)大于V5E(LM555的引脚5相对于E极的电压)，LM555引脚7输出为低电平，即OVC为低电平，启动过流保护，经阻断时间后恢复正常；否则，引脚7为门极开路，电路工作正常。(2)欠压保护电路该电路由图3中的电阻R5、R6、R7，晶体管VQ2及稳压管VD1组成。正常状态下，晶体管VQ2导通，LM555的RESET信号(引脚4)不起作用；当给定电压低到一定值时，LM555的引脚4为0V，RESET信号起作用，使LM555处于复位状态，引脚7即OVC为低电平，保护电路启动。3．3负偏压电路IR2110的另一不足是不能产生负偏压。在大功率IGBT驱动场合，各路驱动电源独立，集成驱动器一般都能产生负压，-5V。用于增强IGBT关断的可靠性，防止由于密勒效应而造成误导通。IR2110器件内部虽不能产生负压，但可通过外加无源器件产生负压，如图4所示。在上、下管驱动电路中均增加由电容和5V稳压管组成的负压电路。其工作原理为：电源电压Vcc为20V。在上电期间，电源通过R10为C11充电，C11保持5V电压。LIN为高电平时，LO相对COM输出20V的高电平，这时加在下管VG1的电压为15V，IGBT正常导通。当LIN输入为低电平时，LO输出OV，此时VG1的电压为-5V，实现关断时负压。同理，对于上管VG2，HIN输入高电平时，HO输出20V，加在VG2的电压为15V。当HIN为低电平时，HO输出0V，VG2电压为-5V。选择的C11，C12要大于IGBT栅极输入寄生电容Ciss。自举电容充电电路中的二极管VD4必须是快恢复二极管，以保证在有限时间内快速导通。4结论通过对驱动模块IR2110的分析研究，在其驱动电路简单、可独立高端和低端输出驱动通道等基础上，针对其一些不足。设计实用性较强的优化驱动电路，使该模块在使用中能更有效地对IGBT进行驱动、控制和过流保护。