高压悬浮驱动器IR2110的原理和扩展应用

吴胜华，张成胜，钟炎平，吴保芳

(空军雷达学院，湖北 武汉430019）

摘 要 ： 介 绍 了 IR2110的 内 部 结 构 和 特 点 ， 高 压 侧 悬 浮 驱 动 的 原 理 和 自 举 元 件 的 设 计 。 针 对 IR2110的 不 足 提 出 了 几 种 扩 展 应 用 的 方 案 ， 并 给 出 了 应 用 实 例 。
关 键 词 ： 悬 浮 驱 动 ； 栅 电 荷 ； 自 举 ； 绝 缘 门 极

1 引 言
在 功 率 变 换 装 置 中 ， 根 据 主 电 路 的 结 构 ， 其 功 率 开 关 器 件 一 般 采 用 直 接 驱 动 和 隔 离 驱 动 两 种 方 式 。 采 用 隔 离 驱 动 方 式 时 需 要 将 多 路 驱 动 电 路 、 控 制 电 路 、 主 电 路 互 相 隔 离 ， 以 免 引 起 灾 难 性 的 后 果 。 隔 离 驱 动 可 分 为 电 磁 隔 离 和 光 电 隔 离 两 种 方 式 。
光 电 隔 离 具 有 体 积 小 ， 结 构 简 单 等 优 点 ， 但 存 在 共 模 抑 制 能 力 差 ， 传 输 速 度 慢 的 缺 点 。 快 速 光 耦 的 速 度 也 仅 几 十 kHz。
电 磁 隔 离 用 脉 冲 变 压 器 作 为 隔 离 元 件 ， 具 有 响 应 速 度 快 （ 脉 冲 的 前 沿 和 后 沿 ） ， 原 副 边 的 绝 缘 强 度 高 ， dv/dt共 模 干 扰 抑 制 能 力 强 。 但 信 号 的 大 传 输 宽 度 受 磁 饱 和 特 性 的 限 制 ， 因 而 信 号 的 顶 部 不 易 传 输 。 而 且 大 占 空 比 被 限 制 在 50％ 。 而 且 信 号 的 小 宽 度 又 受 磁 化 电 流 所 限 。 脉 冲 变 压 器 体 积 大 ， 笨 重 ， 加 工 复 杂 。
凡 是 隔 离 驱 动 方 式 ， 每 路 驱 动 都 要 一 组 辅 助 电 源 ， 若 是 三 相 桥 式 变 换 器 ， 则 需 要 六 组 ， 而 且 还 要 互 相 悬 浮 ， 增 加 了 电 路 的 复 杂 性 。 随 着 驱 动 技 术 的 不 断 成 熟 ， 已 有 多 种 集 成 厚 膜 驱 动 器 推 出 。 如 EXB840/841、 EXB850/851、 M57959L/AL、 M57962L/AL、 HR065等 等 ， 它 们 均 采 用 的 是 光 耦 隔 离 ， 仍 受 上 述 缺 点 的 限 制 。
美 国 IR公 司 生 产 的 IR2110驱 动 器 。 它 兼 有 光 耦 隔 离 （ 体 积 小 ） 和 电 磁 隔 离 （ 速 度 快 ） 的 优 点 ， 是 中 小 功 率 变 换 装 置 中 驱 动 器 件 的 首 选 品 种 。
2 IR2110内 部 结 构 和 特 点
IR2110采 用 HVIC和 闩 锁 抗 干 扰 CMOS制 造 工 艺 ， DIP14脚 封 装 。 具 有 独 立 的 低 端 和 高 端 输 入 通 道 ； 悬 浮 电 源 采 用 自 举 电 路 ， 其 高 端 工 作 电 压 可 达 500V， dv/dt=± 50V/ns， 15V下 静 态 功 耗 仅 116mW； 输 出 的 电 源 端 （ 脚 3,即 功 率 器 件 的 栅 极 驱 动 电 压 ） 电 压 范 围 10～ 20V； 逻 辑 电 源 电 压 范 围 （ 脚 9） 5～ 15V， 可 方 便 地 与 TTL， CMOS电 平 相 匹 配 ， 而 且 逻 辑 电 源 地 和 功 率 地 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； 图 腾 柱 输 出 峰 值 电 流 为 2A。
IR2110的 内 部 功 能 框 图 如 图 1所 示 。 由 三 个 部 分 组 成 ： 逻 辑 输 入 ， 电 平 平 移 及 输 出 保 护 。 如 上 所 述 IR2110的 特 点 ， 可 以 为 装 置 的 设 计 带 来 许 多 方 便 。 尤 其 是 高 端 悬 浮 自 举 电 源 的 成 功 设 计 ， 可 以 大 大 减 少 驱动 电 源 的 数 目 ， 三 相 桥 式 变 换 器 ， 仅 用 一 组 电 源 即 可 。

3 高 压 侧 悬 浮 驱 动 的 自 举 原 理
IR2110用 于 驱 动 半 桥 的 电 路 如 图 2所 示 。 图 中 C1、 VD1分 别 为 自 举 电 容 和 二 极 管 ， C2为 VCC的 滤 波 电 容 。 假 定 在 S1关 断 期 间 C1已 充 到 足 够 的 电 压 （ VC1≈ VCC） 。 当 HIN为 高 电 平 时 VM1开 通 ， VM2关 断 ， VC1加 到 S1的 门 极 和 发 射 极 之 间 ， C1通 过 VM1， Rg1和 S1门 极 栅 极 电 容 Cgc1放 电 ， Cgc1被 充 电 。 此 时 VC1可 等 效 为 一 个 电 压 源 。 当 HIN为 低 电 平 时 ， VM2开 通 ， VM1断 开 ， S1栅 电 荷 经 Rg1、 VM2迅 速 释 放 ， S1关 断 。 经 短 暂 的 死 区 时 间 （ td） 之 后 ， LIN为 高 电 平 ， S2开 通 ， VCC经 VD1， S2给 C1充 电 ， 迅 速 为 C1补 充 能 量 。 如 此 循 环 反 复 。

4 自 举 元 器 件 的 分 析 与 设 计
如 图 2所 示 自 举 二 极 管 （ VD1） 和 电 容 （ C1） 是 IR2110在 PWM应 用 时 需 要 严 格 挑 选 和 设 计 的 元 器 件 ， 应 根 据 一 定 的 规 则 进 行 计 算 分 析 。 在 电 路 实 验 时 进 行 一 些 调 整 ， 使 电 路 工 作 在 佳 状 态 。
4.1 自 举 电 容 的 设 计
IGBT和 PM（ POWER MOSFET） 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 电 压 比 器 件 充 分 导 通 所 需 要 的 电 压 （ 10V， 高 压 侧 锁 定 电 压 为 8.7/8.3V） 要 高 ； 再 假 定 在 自 举 电 容 充 电 路 径 上 有 1.5V的 压 降 （ 包 括 VD1的 正 向 压 降 ） ； 后 假 定 有 1/2的 栅 电 压 （ 栅 极 门 槛 电 压 VTH通 常 3～ 5V） 因 泄 漏 电 流 引 起 电 压 降 。 综 合 上 述 条 件 ， 此 时 对 应 的 自 举 电 容 可 用 下 式 表 示 ：
例 如 FUJI 50A/600V IGBT充 分 导 通 时 所 需 要 的 栅 电 荷 Q_g=250nC（ 可 由 特 性 曲 线 查 得 ） ， V_CC=15V， 那 么
C₁=2× 250× 10^－9/(15－ 10－ 1.5)=1.4× 10^－7F
可 取 C1=0.22μ F或 更 大 一 点 的 ， 且 耐 压 大 于 35V的 钽 电 容 。
4.2 悬 浮 驱 动 的 宽 导 通 时 间 _ton(max)
当 长 的 导 通 时 间 结 束 时 ， 功 率 器 件 的 门 极 电 压 Vge仍 必 须 足 够 高 ， 即 必 须 满 足 式 （ 1） 的 约 束 关 系 。 不 论 P M还 是 IGBT， 因 为 绝 缘 门 极 输 入 阻 抗 比 较 高 ， 假 设 栅 电 容 （ Cge） 充 电 后 ， 在 V_CC=15V时 有 15μ A的 漏 电 流 （ I_gQs） 从 C₁中 抽 取 。 仍 以 4.1中 设 计 的 参 数 为 例 ， Q_g=250nC， Δ U=V_CC－ 10－ 1.5=3.5V， Q_avail=Δ U× C=3.5× 0.22=0.77μ C。 则 过 剩 电 荷 Δ Q=0.77－ 0.25=0.52μ C， Δ U_c=Δ Q/C=0.52/0.22=2.36V， 可 得 Uc=10＋ 2.36=12.36V。 由 U=Uc及 栅 极 输

4.3 悬 浮 驱 动 的 窄 导 通 时 间 _ton(min)
在 自 举 电 容 的 充 电 路 径 上 ， 分 布 电 感 影 响 了 充 电 的 速 率 。 下 管 的 窄 导 通 时 间 应 保 证 自 举 电 容 能 够 充 足 够 的 电 荷 ， 以 满 足 Cge所 需 要 的 电 荷 量 再 加 上 功 率 器 件 稳 态 导 通 时 漏 电 流 所 失 去 的 电 荷 量 。 因 此 从 窄 导 通 时 间 _ton(min)考 虑 ， 自 举 电 容 应 足 够 小 。
综 上 所 述 ， 在 选 择 自 举 电 容 大 小 时 应 综 合 考 虑 ， 既 不 能 太 大 影 响 窄 脉 冲 的 驱 动 性 能 ， 也 不 能 太小 而 影 响 宽 脉 冲 的 驱 动 要 求 。 从 功 率 器 件 的 工 作 频 率 、 开 关 速 度 、 门 极 特 性 进 行 选 择 ， 估 算 后 经 调 试 而 定 。
4.4 自 举 二 极 管 的 选 择
自 举 二 极 管 是 一 个 重 要 的 自 举 器 件 ， 它 应 能 阻 断 直 流 干 线 上 的 高 压 ， 二 极 管 承 受 的 电 流 是 栅 极 电 荷 与 开 关 频 率 之 积 。 为 了 减 少 电 荷 损 失 ， 应 选 择 反 向 漏 电 流 小 的 快 恢 复 二 极 管 。
5 IR2110的 扩 展 应 用
单 从 驱 动 PM和 IGBT的 角 度 考 虑 ， 均 不 需 要 栅 极 负 偏 置 。 Vge=0， 完 全 可 以 保 证 器 件 正 常 关 断 。 但 在 有 些 情 况 下 ， 负 偏 置 是 必 要 的 。 这 是 因 为 当 器 件 关 断 时 ， 其 集 电 极 － 发 射 极 之 间 的 dv/dt过 高 时 ， 将 通 过 集 电 极 － 栅 极 之 间 的 （ 密 勒 ） 电 容 以 尖 脉 冲 的 形 式 向 栅 极 馈 送 电 荷 ， 使 栅 极 电 压 升 高 ， 而 PM， IGBT的 门 槛 电 压 通 常 是 3～ 5V左 右 ， 一 旦 尖 脉 冲 的 高 度 和 宽 度 达 到 一 定 的 水 平 ， 功 率 器 件 将 会 误 导 通 ， 造 成 灾 难 性 的 后 果 。 而 采 用 栅 极 负 偏 置 ， 可 以 较 好 地 解 决 这 个 问 题 。
5.1 具 有 负 偏 压 的 IR2110驱 动 电 路
电 路 如 图 3所 示 。 高 压 侧 和 低 压 侧 的 电 路 完 全 相 同 。 每 个 通 道 分 别 用 了 两 只 N沟 道 和 两 只 P沟 道 的 MOSFET。 VD2、 C2、 R2为 VM2的 栅 极 耦 合 电 路 ， C3、 C4、 VD3、 VD4用 于 将 H0（ 脚 7） 输 出 的 单 极 性 的 驱 动 信 号 转 换 为 负 的 直 流 电 压 。 当 VCC=15V时 ， C4两 端 可 获 得 约 10V的 负 压 。

5.2 简 单 负 偏 压 IR2110驱 动 电 路
电 路 如 图 4所 示 。 高 压 侧 的 负 偏 压 由 C1， VD1， R1产 生 ， R1的 平 均 电 流 应 不 小 于 1mA。 不 同 的 HV可 选 择 不 同 的 电 阻 值 ， 并 适 当 考 虑 其 功 耗 。 低 压 侧 由 VCC， R2， C2， VD2产 生 。 两 路 负 偏 置 约 为 － 4.7V。 可 选 择 小 电 流 的 齐 纳 二 极 管 。
在 图 3所 示 电 路 中 ， VM1～ VM4如 选 择 合 适 的 MOSFET， 也 能 同 时 达 到 扩 展 电 流 的 目 的 ， 收 到 产 生 负 偏 置 和 扩 展 电 流 二 合 一 的 功 能 。
6 应 用 实 例
一 台 2kW， 三 相 400Hz， 115V/200V的 变 频 电 源 。 单 相 50Hz， 220V输 入 ， 逆 变 桥 直 流 干 线 HV≈ 300V， 开 关 频 率 fs=13.2kHz。 功 率 模 块 为 6MBI25L060， 用 三 片 IR2110作 为 驱 动 电 路 ， 共 用 一 组 15V的 电 源 。 主 电 路 如 图 5所 示 。 控 制 电 路 由 80C196MC构 成 的 小 系 统 组 成 。 图 6为 IR2110高 压 侧 输 出 的 驱 动 信 号 ， 图 7为 其 中 一 相 的 输 出 波 形 。
7 结 语
IR2110是 一 种 性 能 比 较 优 良 的 驱 动 集 成 电 路 。 无 需 扩 展 可 直 接 用 于 小 功 率 的 变 换 器 中 ， 使 电 路 更 加 紧 凑 。 在 应 用 中 如 需 扩 展 ， 附 加 硬 件 成 本 也 不 高 ， 空 间 增 加 不 大 。 然 而 其 内 部 高 侧 和 低 侧 通 道分 别 有 欠 压 封 锁 保 护 功 能 ， 但 与 其 它 驱 动 集 成 电 路 相 比 ， 保 护 功 能 略 显 不 足 ， 可 以 通 过 其 它 保 护 措 施 加 以 弥 补 。

参考文献

  

[1]. IR2110 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/IR2110_406876.html.
[2]. COM datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/COM_1118194.html.
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[4]. TTL datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TTL_1174409.html.
[5]. Cge datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/Cge_2328117.html.
[6]. 80C196MC datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/80C196MC_1096609.html.

[7] 吴 保 芳 .绝 缘 门 极 驱 动 电 路 的 讨 论 [J].电 气 自 动 化 .1997,19(4).
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[9] 陈 丹 .基 于 80C196MC数 字 控 制 的 三 相 变 频 电 源 的 研 究[D].硕 士 论 文 ， 空 军 雷 达 学 院 2002.