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介绍如何使用IR2110实现高压大功率直流开关电源
信息来源:   发布时间:2016-4-19   浏览:815次

 

 由于远程供电的需要,需研制一台高压大功率直流开关电源。采用开关电源主要是因为开关电源功率可以做大、电压可以做高、电压调节范围可以做广。但是在整个研制过程中发现驱动电路是比较困难且重要的环节。目前开关电源的国内外发展速度很快,技术非常成熟。20世纪90年代以来,高频变换技术飞速地发展,不断涌现了新型电力电子器件,高智能化IC和新电路拓扑。

    l、驱动电路的功能与特点

    开关电源的形式与种类很多,尽管各种不同的开关电源能达到的性能指标也各不相同,但总是由以下几个部分组成:

    (1)控制单元

    一般都是由专门的集成电路担当这部分工作,也有用单片机、DPS作为控制单元核心的,视具体需要而定。

    (2)功率元件

    目前一般使用IGBT和MOSFET;一般高频中小功率情况下用场效应管,大功率情况下用IGBT,其电路结构上大同小异,栅极高电平(一般是10~20 V,常用的是15 V)导通,低电平(-5~0 V)截止。其作用是开关电源的核心。

    (3)驱动电路

    这部分是开关电源的灵魂,是连接控制单元与功率管的桥梁。控制单元出来的电平一般无法直接驱动功率管,需要有一个电平的转换及电流驱动;对于驱动电路而言,功率管的栅极即为负载,一般的功率管栅源之间有一个寄生电容,故驱动电路的负载是一个容性负载,若驱动电流不够,或提高频率,方波会产生畸变,无法达到设计目的。因此功率电子的驱动是整个设计的重点,也是难点。

    开关稳压电源中的功率开关管要求在关断时能迅速关断,并能维持关断期间的漏电流近似等于零;在导通时要求能迅速导通,并且维持导通期间的管压降也近似等于零。开关管趋于关断时的下降时间和趋于导通时的上升时间的快慢是降低开关晶体管损耗功率,提高开关稳压电源效率的主要因素。要缩短这两个时间,除选择高反压、高速度、大功率开关管以外,主要还取决于加在开关管栅极的驱动信号。驱动波形的要求如下:

    ①驱动波形的正向边缘一定要陡,幅度要大,以便减小开关管趋于导通时的上升时间;

    ②在维持导通期间内,要能保证开关管处在饱和导通状态,以减小开关管的正向导通管压降,从而降低导通期间开关管的集电极功率损耗;

    ③当正向驱动结束时,驱动幅度要减小,以便使开关管能很快地脱离饱和区,以减小关闭储存时问;

    ④驱动波形的下降边缘也一定要陡,幅度要大,以便减小开关管趋于截止时的下降时间。理想的驱动波形如图1所示。其中图1(a)是漏极电压和电流波形图,图1(b)是栅极驱动信号波形图。

 

图1  理想的栅极驱动信号波形图

 

    2、 IR2110栅极驱动抗干扰技术

    IR2110是一种双通道高压、高速电压型功率开关器件栅极驱动器,具有自居浮动电源,驱动电路十分简单,只用一个电源可同时驱动上下桥臂。但是IR2110芯片有他本身的缺陷,不能产生负压,在抗干扰方面比较薄弱,以下详细结合实验介绍抗干扰技术。

 2.1 芯片功能简介

    IR2110包括:逻辑输入、电平转换、保护、上桥臂侧输出和下桥臂侧输出。逻辑输入端采用施密特触发电路,提高抗干扰能力。输入逻辑电路与TTL/COMS电平兼容,其输入引脚阈值为电源电压Vdd的10%,各通道相对独立。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 V~+5 V的偏移量,并且能屏蔽小于50 ns脉冲,这样便具有较理想的抗噪声效果。两个高压MOS管推挽驱动器的最大灌入或输出电流可达2 A,上桥臂通道可以承受500 V的电压。输入与输出信号之间的传导延时较小,开通传导延时为120 ns,关断传导延时为95 ns。电源VCC典型值为15 V,逻辑电源和模拟电源共用一个15 V电源,逻辑地和模拟地接在一起。输出端设有对功率电源VCC的欠压保护,当小于8.2 V时,封锁驱动输出。

    IR2110具有很多优点: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,驱动500 V主电路系统,工作频率高,可以达到500 kHz;具有电源欠压保护相关断逻辑;输出用图腾柱结构,驱动峰值电流为2 A;两通道设有低压延时封锁(50 ns)。芯片还有一个封锁两路输出的保护端SD,在SD输入高电平时,两路输出均被封锁。IR2110的优点,给实际系统设计带来了极大方便,特别是自举悬浮驱动电源大大简化了驱动电源设计,只用一路电源即可完成上下桥臂两个功率开关器件的驱动。IR2110的典型应用电路如图2所示。

图2  IR2110典型应用电路

    但是在这种电路的使用上存在很大的问题,当高压侧电压缓慢地往上升时可以清楚地看见毛刺越来越严重,电压很低时管子发热严重,芯片很容易烧掉。这些问题都是由于2 11 0自身的一些不足产生的,IR2110不能产生负偏压,如果用于驱动桥式电路,在半桥电感负载电路下运行,处于关断状态下的IGBT,由于其反并联二极管的恢复过程,将承受C-E电压的急剧上升。此静态的dv/dt通常比IGBT关断时的上升率高。由于密勒效应,此dv/dt在集电极,栅极问电容内产生电流,流向栅极驱动电路,如图3所示。虽然在关断状态时栅极电压Vg为零,由于栅极电路的阻抗(栅极限流电阻Rg,引线电感Lg),该电流令VGE增加,趋向于VGE(th)。最严重的情况是该电压达到阈值电压,使IGBT导通,导致桥臂短路。IR2110驱动输出阻抗不够小,沿栅极的灌人电流会在驱动电压上加上比较严重的毛刺干扰。

图3  dv/dt对栅极电路的影响

 

    2.2 IR2110改进抗干扰电路

    2.2.1 带电平箝位的IR2110驱动电路

    针对IR2110的不足,对输出驱动电路进行了改进,可以采用在栅极限流电阻上反并联一个二极管,但在大功率的环境下不太明显。本文介绍的第一种方法就是下面如图4所示电路。在关断期间将栅极驱动电平箝位到零电平。在桥臂上管开通期间驱动信号使Q1导通、Q2截止,正常驱动。上管关断期间,Q1截止,Q2栅极高电平,导通,将上管栅极电位拉到低电平(三极管的饱和压降)。这样,由于密勒效应产生的电流从Q2中流过,栅极驱动上的毛刺可以大大的减小。下管工作原理与上管完全相同,不再累述。

图4  带电平箱位的IR2110驱动电路

 

2.2.2 IR2110负压产生电路

   在大功率IGBT场合,各路驱动电源独立,集成驱动芯片一般都有产生负压得功能,如EXB841系列,M57957系列等,在IGBT关断期间栅极上施加一个负电压,一般为-3~-5 V。其作用也是为了增强IGBT关断的可靠性。防止由于密勒效应而造成的误导通。IR2110芯片内部虽然没有产生负压功能,但可以通过外加几个无源器件来实现产生负压得功能,如图5所示。在上下管驱动电路中均加上由电容和5 V稳压管组成的负压电路。

图5  IR2110负压产生电路

    其工作原理为:电源电压为20 V,在上电期间,电源通过Rg给Cg充电,Cg保持5 V的电压,在LIN为高电平的时候,LO输出0 V,此时S2栅极上的电压为-5 V,从而实现了关断时负压。

    对于上管S1,HIN为高电平时,HO输出为20 V,加在栅极上的电压为15 V。当HIN为低电平时,HO输出0 V,S1栅极为-5 V。

    IGBT为电压型驱动器件,所以负压负压电容C5,C6上的电压波动较小,维持在5 V,自举电容上的电压也维持在20 V左右,只在下管S2导通的瞬间有一个短暂的充电过程。

    IGBT的导通压降一般小于3 V,负压电容C5的充电在S2导通时完成。对于C5,C6的选择,要求大于IGBT栅极输入寄生电容Ciss。自举电容电电路中的二极管D1必须是快恢复二极管,应留有足够的电流余量。此电路与一般的带负压驱动芯片产生负压原理相同,直流母线上叠加了5 V的电压。

    2.2.3 IR2110结合隔离变压器电路

    上面2种方法已经得到了广泛的应用,但是也有他的缺点,首先电路比最简单的应用电路要复杂的多,其次所用的器件数目增多,成本增加,再次效果也并不是非常好,这主要是因为IR2110芯片本身很容易受到开关管的影响。

    负载增大,电压升高,IR2110的输出波形就会变得很混乱,所以用常规的变压器隔离和IR2110结合起来使用其电路图如6所示,这种电路结合了经典电路的部分内容,大大地减小了负载对驱动的影响,可以用于大功率场合,电路也比较简单,非常实用。

图6  带变压器隔离的IR2110驱动电路

    其工作原理为:电源电压为20 V,在上电期间,电源通过Rg给Cg充电,Cg保持5 V的电压,在LIN为高电平的时候,LO输出0 V,此时S2栅极上的电压为-5 V,从而实现了关断时负压。

    对于上管S1,HIN为高电平时,HO输出为20 V,加在栅极上的电压为15 V。当HIN为低电平时,HO输出0 V,S1栅极为-5 V。

    IGBT为电压型驱动器件,所以负压负压电容C5,C6上的电压波动较小,维持在5 V,自举电容上的电压也维持在20 V左右,只在下管S2导通的瞬间有一个短暂的充电过程。

    IGBT的导通压降一般小于3 V,负压电容C5的充电在S2导通时完成。对于C5,C6的选择,要求大于IGBT栅极输入寄生电容Ciss。自举电容电电路中的二极管D1必须是快恢复二极管,应留有足够的电流余量。此电路与一般的带负压驱动芯片产生负压原理相同,直流母线上叠加了5 V的电压。

 2.2.3 IR2110结合隔离变压器电路

    上面2种方法已经得到了广泛的应用,但是也有他的缺点,首先电路比最简单的应用电路要复杂的多,其次所用的器件数目增多,成本增加,再次效果也并不是非常好,这主要是因为IR2110芯片本身很容易受到开关管的影响。

    负载增大,电压升高,IR2110的输出波形就会变得很混乱,所以用常规的变压器隔离和IR2110结合起来使用其电路图如6所示,这种电路结合了经典电路的部分内容,大大地减小了负载对驱动的影响,可以用于大功率场合,电路也比较简单,非常实用。

    3 结 语

    本文所提供的几种抗干扰措施也应该根据具体情况进行分析,当然根据具体电路的不同应该按照实际情况选择电路,传统的驱动电路也有他优点,光电藕合器也可以广泛使用。

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