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IR2181S驅動(dòng)芯片在全橋電路中應用設計和注意事項
摘要:三相全橋技術(shù)具有應用廣泛,控制方便,電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn),因此,廣泛應用于逆變電源,變頻技術(shù),電力電子等相關(guān)領(lǐng)域,但其功率MOSFET以及相關(guān)的驅動(dòng)電路的設計直接與電路的可靠性緊密相關(guān),如MOSFET的驅動(dòng)電路設計不當,MOSFET很容易損壞,因此本文主要分析和研究了成熟驅動(dòng)控制芯片IR2181S組成的電路,并設計了具體的電路,為提高M(jìn)OSFET的可靠性作一些研究,以便能夠為設計人員在設計產(chǎn)品時(shí)作一些參考。
關(guān)鍵詞:IR2181S驅動(dòng)芯片;MOSFET;全橋電路;自舉電路設計;吸收電路
IR2181S的結構和驅動(dòng)電路設計
IR2181S是IR公司研發(fā)的一款專(zhuān)用驅動(dòng)芯片電其內部結構參考圖1:主要由:低端功率晶體驅動(dòng)管,高端功率晶體驅動(dòng)管,電平轉換器,輸入邏輯電路等組成。
IR2181S優(yōu)點(diǎn)是可靠性高,外圍電路簡(jiǎn)單。它驅動(dòng)的MOSFET高壓側電壓可以達到600V,最大輸出電流可達到1.9A(高端)2.3A(低端)。
具體設計電路時(shí)如將MOSFET或IGBT作為高壓側開(kāi)關(guān)(漏極直接接在高壓母線(xiàn)上)需在應用的時(shí)候需要注意以下幾點(diǎn):
(1)柵極電壓一定要比漏極電壓高10-15V,作為高壓側開(kāi)關(guān)時(shí),柵極電壓是系統中電壓最高的。
(2)柵極電壓從邏輯上看必須是可控制的,低壓側一般是以地為參考點(diǎn)的,但在高端是就必須轉換成高壓側的源極電位,相當于將柵極驅動(dòng)的地懸浮在源極上,所以在實(shí)際應用中柵極控制電壓是在母線(xiàn)電壓之間浮動(dòng)的。
(3)柵極驅動(dòng)電路吸收的功率不會(huì )顯著(zhù)影響整個(gè)電路的效率。
圖2是以IR2181S驅動(dòng)芯片設計的三相全橋電路:
圖2中應用到三個(gè)IR2181S驅動(dòng)芯片每路驅動(dòng)一組橋臂,提供高端和低端兩路驅動(dòng)信號(HO*,LO*),以第一路橋臂為例(其它同理):IR2181S輸入是由DSP或其他專(zhuān)用驅動(dòng)信號發(fā)生芯片產(chǎn)生的高端和低端兩路驅動(dòng)信號,經(jīng)過(guò)2181輸出同樣也為兩路,但經(jīng)過(guò)2181內部處理后輸出的信號和輸入控制信號完全隔離,輸出電流可以達到2A,上圖中IR218S低端輸出(LO1)驅動(dòng)下管的信號是以直流母線(xiàn)側負端為參考點(diǎn),輸出信號幅值大概在15V左右滿(mǎn)足MOSFET開(kāi)通要求。高端輸出是以U1為參考基準,電位浮在母線(xiàn)上,當上端開(kāi)通時(shí)IR2181S通過(guò)自舉電路(C4,C5)將電壓舉升到柵極開(kāi)啟電壓值。其電壓值約為:
UG=U母線(xiàn) 15V
上述電路中(以Q2為例)電容C4,C5和自舉二極管組成的泵電路,其中自舉電容和自舉二極管等參數都是要經(jīng)過(guò)精密計算的,其工作原理和計算方法如下:
(1)工作原理:當電路工作時(shí)Vs被拉倒地(輸出接負載) 15V通過(guò)二極管給自舉電容C4,C5充電也因此給Vs一個(gè)工作電壓滿(mǎn)足了電路工作。
(2)參數設計:計算電容參數時(shí)應考慮到以下幾點(diǎn),
�、費GT柵極電荷;
�、诟邏簜葨艠O靜態(tài)電流;
�、�2181內部電平轉換電路電流;
�、躆GT G和S之間的電流。(備注:因自舉電路一般選擇非電解電容設計時(shí)電容漏電流可以忽略。)
此公式給出了對自舉電容電荷的最小要求;
Q=2Qg Iqbs/f Qls Icbs/f
注:Qg為高端MOSFET柵極電荷。
f為系統工作頻率。
Icbs為自舉電容漏電流(本電路為非電解電容可忽略不計)。
Qls為每個(gè)周期內電平轉換電路對電荷的要求。(500/600V IC為5nc 1200V IC為20nc)。
Iqbs為高端驅動(dòng)電路靜態(tài)電流。
上述計算的電荷量是保證芯片正常工作的前提條件,只有保證自舉電容能提供足夠的電荷和穩定的電壓才不會(huì )使Vbs產(chǎn)生大的紋波IR2181S內部才能正常工作。為了減小紋波我們一般增加自舉電容的電荷量,一般為計算值的2-3倍,其電容值應為:
C
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