IR2130驱动电路

IR2130驱动电路摘要：介绍了IR2130集成芯片的特点和工作原理，了采用该芯片驱动的三相逆变器，并进行了实验研究，结果表明用IR2130驱动的逆变器具有结构简单、工作稳定、保护可靠等优点。1引言逆变器己广泛用于交流电气传动、UPS等许多技术领域中，其主电路开关器件常采用IGBT或MOSFET等全控型器件，该器件的开关动作需要靠独立的驱动电路来实现，并且要求驱动电路的供电电源彼此隔离(如单相桥式逆变主电路需3组独立电源，三相桥式逆变主电路需4组独立电源)，这无疑增加辅助电源的设计困难和成本，同时也使驱动电路变得复杂，降低了逆变器的可靠性。采用如EXB840等专用厚膜集成驱动电路芯片虽然可以简化驱动电路的设计，但每个驱动芯片仍需要一个隔离的供电电源，且每个芯片仅可驱动一个功率开关器件，应用仍有不便。而美国国际整流器公司生产的专用驱动芯片IR2130［1］只需一个供电电源即可驱动三相桥式逆变电路的6个功率开关器件，可以使整个驱动电路简单可靠。2IR2130驱动芯片的特点IR2130可用来驱动工作在母电压不高于600V的电路中的功率MOS门器件，其可输出的最大正向峰值驱动电流为250mA，而反向峰值驱动电流为500mA。它内部设计有过流、过压及欠压保护、封锁和指示网络，使用户可方便的用来保护被驱动的MOS门功率管，加之内部自举技术的巧妙运用使其可用于高压系统，它还可对同一桥臂上下2个功率器件的门极驱动信导产生2μs互锁延时时间。它自身工作和电源电压的范围较宽(3～20V)，在它的内部还设计有与被驱动的功率器件所通过的电流成线性关系的电流放大器，电路设计还保证了内部的3个通道的高压侧驱动器和低压侧驱动器可单独使用，亦可只用其内部的3个低压侧驱动器，并且输入信号与TTL及COMS电平兼容。IR2130管脚如图1所示。VB1～VB3：是悬浮电源连接端，通过自举电容为3个上桥臂功率管的驱动器提供内部悬浮电源，VS1～VC3是其对应的悬浮电源地端。HIN1～HIN3、LIN1～LIN3：逆变器上桥臂和下桥臂功率管的驱动信号输入端，低电平有效。ITRIP：过流信号检测输入端，可通过输入电流信号来完成过流或直通保护CA-、CAO、Vso：内部放大器的反相端、输出端和同相端，可用来完成电流信号检测。HO1～HO3、LO1～L03：逆变器上下桥臂功率开关器件驱动器信号输出端。FAULT：过流、直通短路、过压、欠压保护输出端，该端提供一个故障保护的指示信号。它在芯片内部是漏极开路输出端，低电平有效。V、V：芯片供电电源连接端，V接正电源，而ccssccV接电源地。ss3IR2130内部结构及其工作原理IR2130的内部结构如图2所示，它的内部集成有1个电流比较器CURRENTCOMPARATOR，1个电流放大器CURRENTAMP，1个自身工作电源欠压检测器UNDERVOLTAGEDETECTOR，1个故障处理单元FAULTLOGIC及1个清除封锁逻辑单元CLEARLOGIC。除上述外，它内部还集成有3个输入信号处理器INPUTSIGNALGEN-ERATOR两个脉冲处理和电平移位器PULSEGENERATORLEVELSHIFTER，3个上桥臂侧功率管驱动信号锁存器LATCH，3个上桥臂侧功率管驱动信号与欠压检测器，U.VDETECTOR及6个低输出阻抗MOS功率管驱动器DRIVER和1个或门电路。正常工作时，输入的6路驱动信号经输入信号处理器处理后变为6路输出脉冲，驱动下桥臂功率管的信号L1～L3经输出驱动器功放后，直接送往被驱动功率器件。而驱动上桥臂功率管的信号H1～H3先经集成于IR2130内部的3个脉冲处理器和电平移位器中的自举电路进行电位变换，变为3路电位悬浮的驱动脉冲，再经对应的3路输出锁存器锁存并经严格的驱动脉冲与否检验之后，送到输出驱动器进行功放后才加到被驱动的功率管。一旦外电流发生过流或直通，即电流检测单元送来的信号高于0.5V时，则IR2130内部的电流比较器迅速翻转，促使故障逻辑处理单元输出低电平，一则封锁3路输入脉冲信号处理器的输出，使IR2130的输出全为低电平，保护功率管；另一方面，同时IR2130的FAULT脚给出故障指示。同样若发生IR2130的工作电源欠压，则欠压检测器迅速翻转，也会进行类似动作。发生故障后，IR2130内的故障逻辑处理单元的输出将保持故障闭锁状态。直到故障清除后，在信号输入端LIN1～LIN3同时被输入高电平，才可以解除故障闭锁状态。当IR2130驱动上桥臂功率管的自举电源工作电压不足时，则该路的驱动信号检测器迅速动作，封锁该路的输出，避免功率器件因驱动信号不足而损坏。当逆变器同一桥臂上2个功率器件的输入信号同时为高电平，则IR2130输出的2路门极驱动信号全为低电平，从而可靠地避免桥臂直通现象发生。4采用IR2130的逆变器电路结构采用IR2130芯片驱动逆变器功率管时，其基本主电路结构不需要改变，仍可用典型的三相电压型逆变器电路，为便于表示，图3画出了IR2130驱动其中1个桥臂的电路示意图，图中C1是自举电容，为上桥臂功率管驱动的悬浮电源存储能量，D1的作用防止上桥臂导通时的直流电压母线电压到IR2130的电源上而使器件损坏，因此D1应有足够的反向耐压，当然由于D1与C1串联，为了满足主电路功率管开关频率的要求，D1应选快速恢复二极管。R1和R2是IGBT的门极驱动电阻，一般可采用10到几十欧。R3和R4组成过流检测电路，其中R3是过流取样电阻，R4是作为分压用的可调电阻。IR2130的HIN1～HIN3、LIN1～LIN3作为功率管的输入驱动信号与单片机连接，由单片机控制产生PWM控制信号的输入，FAULT与单片机外部中断引脚连接，由单片机中断程序来处理故障。其容量取决于被驱动功率器件的开关频率、占空比以及充电回路电阻，必须保证电容充电到足够的电压，而放电时其两端电压不低于欠压保护动作值，当被驱动的开关频率大于5kHz时，该电容值应不小于0.1μF，且以瓷片电容为好。5实验及结果在完成上述硬件设计的基础上，本文采用特定谐波消除式PWM控制策略［2］，使逆变器拖动1台1.1kW的感应电机运行，并进行了短路、电机堵转等实验，证明采用IR2130驱动的逆变器性能稳定，能可靠地实现过流和短路保护。图4是电机在50Hz空载条件下，用数字示波器TDS220记录的稳态电压和电流波形。6结语本文采用IR2130器件实现单芯片单电源供电的三相逆变器的驱动，只要合理地选择浮充电容，驱动电路工作十分可靠，它不仅使电路结构简单，可靠性提高，而且可以可靠地实现短路、过流、欠压和过压等故障保护。IR2130驱动芯片的特点IR2130可用来驱动母线电压不高于600V电路中的功率MOS门器件，其可输出的最大正向峰值驱动电流为250mA，而反向峰值驱动电流为500mA。由于它内部设计有过流、过压及欠压保护、封锁和指示网络，可使用户方便地用来保护被驱动的MOS门功率管。加之巧妙地运用内部的自举技术使其用于高压系统，还可对同一桥臂上下2个功率器件的门极驱动信导产生2μs互锁延时时间。由于它自身工作和电源电压的范围较宽(3～20V)，在它的内部还设计有与被驱动的功率器件所通过的电流成线性关系的电流放大器，电路设计还保证了内部的3个通道的高压侧驱动器与低压侧驱动器可单独使用，亦可只用其内部的3个低压侧驱动器，并且输入信号与TTL及COMS电平兼容。电机控制的驱动器采用IR2130芯片。IR2130是一种高电压、高速度的功率MOSFET和IGBT、驱动器，工作电压为10～20V，分别有3个独立的高端和低端输出通道。逻辑输入与CMOS或LSTTL输出兼容，最小可以达到2．5V逻辑电压。外围电路中的参考地运行放大器，通过外部的电流检测电位器来提供全桥电路电流的模拟反馈值，如果超出设定或调整的参考电流值，则IR2130驱动器的内部电流保护电路就启动关断输出通道，实现电流保护的作用。IR2130驱动器反映高脉冲电流缓冲器的状态，传输延迟和高频放大器相匹配，浮动通道能够用来驱动N沟道功率MOSFET和IGBT，最高电压可达到600V。IR2130芯片可同时控制6个大功率管的导通和关断顺序，通过输出H01～H03分别控制三相全桥驱动电路的上半桥Q1，Q3，Q5导通关断；而IR2130的输出L01～L03分别控制三相全桥驱动电路的下半桥Q4，Q6，Q2导通关断，从而达到控制电机转速和正反转的目的。IR2130芯片内部有电流比较电路，可以进行电机比较电流的设定。设定值可以作为软件保护电路的参考值，这样可以使电路能够适用于对不同功率电机的控制。IR2130的典型电路如图1所示。三相全桥逆变电路选用6个功率MOSFETRFP40N10、一片IR2130和一些电阻电容而组成。其主要特点为：(1)驱动芯片IR2130内置了2．5μs的死区时间；防止同一桥臂的上下两个MOSFET同时导通，使电源电压短路，电源不通过电动机。这避免了功率驱动电路在硬件系统上电瞬间IR2130的误输出。(2)功率驱动电路采用上桥臂功率MOSFET管进行PWM调制的方式控制。在调制过程中，自举电容只有在高端器件(上桥臂MOSFET管)关断时，VS的电位被拉到功率地时自举电容才被充电。因此，同一桥臂上的下桥臂器件开通时间(上桥臂器件关断时间)应足够长，以保证自举电容的电荷被充满，当上桥臂开通时维持上桥臂有足够的时间导通。(3)由于功率驱动电路的上桥臂三路高压侧栅极驱动电源是通过自举电容充电来获得的，因此与IR2130供电电源连接的二极管，其反向耐压必须大于被驱动的功率MOSFET管工作的峰值母线电压。为了防止自举电容两端的放电，二极管要选用高频的快恢复二极管，功率驱动电路选用FR104，它的最大反向恢复时间为150ns，最大反向耐压400V。(4)上桥臂高压侧自举电容的容量取决于被驱动的功率MOSFET管开关频率、导通和关断占空比以及栅极充电电流的需要。为了防止自举电容放电后造成其两端电压低于欠压保护动作的门槛电压值，使得IR2130关断，电容取值应较大，此功率驱动电路选择10μF的电解电容。(5)功率驱动芯片IR2130内部的6个驱动MOS-FET管(RFG40N10)，其输出阻抗较低，导通输出电阻rDS(ON)=0．04Ω，直接驱动功率MOSFET器件可能造成器件MOSFET漏一源极之间的振荡。这样会引起射频干扰，也有可能造成器件MOS-FET因承受过高的dv／dt而被击穿。因此在功率管的栅极与IR2130的输出之间串联一个阻值为30Ω的无感电阻。栅源极间的电阻主要提供放电回路，使自举电容的电压快速放掉。结语在此介绍的无刷直流电动机功率驱动电路是采用IR公司的专用驱动芯片IR2130组成的。由于1R2130驱动芯片内置了死区电路，具有过流保护和欠压保护等功能，大大降低了电路设计的复杂度，简化了整个驱动电路的设计，提高了系统的可靠性。