基于對(duì)IR2110初認(rèn)識(shí)

IR2110原理介紹22210720122方祎摘要：本文主要從三個(gè)方面簡(jiǎn)要介紹IR2110的相關(guān)原理。首先，針對(duì)IR2110的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)研；其次，點(diǎn)明IR2110的工作原理；最后，給出IR2110的典型電路應(yīng)用設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：IR2110,基本原理，設(shè)計(jì)參數(shù)，應(yīng)用設(shè)計(jì)1IR2110設(shè)計(jì)參數(shù)簡(jiǎn)介IR2110是美國(guó)國(guó)際整流器公司[1]（InternationalRectifierCompany）于1990年左右開發(fā)并且投放市場(chǎng)、至今獨(dú)家生產(chǎn)的大功率MOSFET專用驅(qū)動(dòng)集成電路。IR2110的成功研制，使得MOSFET驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)極度簡(jiǎn)化，同時(shí)具備完善的電路保護(hù)功能，因而它的出現(xiàn)可以大幅地提升控制系統(tǒng)的可靠性并且縮小電路板的尺寸。IR2110自舉技術(shù)(自舉電路也稱升壓電路)利用自舉升壓二極管以及自舉升壓電容等電路元件，將電容放電電壓與電源電壓進(jìn)行疊加，從而促使電壓升高，某些電路升高的電壓值甚至可以達(dá)到數(shù)倍電源電壓。自舉二極管則是利用其單向?qū)щ娦酝瓿呻娢坏寞B加自舉。當(dāng)二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，電容充電到U1；當(dāng)二極管處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，電路通過(guò)電容放電時(shí)U1與電路串聯(lián)從而進(jìn)行疊加自舉，同時(shí)輸出兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)逆變橋中高壓側(cè)與低壓側(cè)MOSFET。其內(nèi)部為自舉工作設(shè)計(jì)懸浮電源，其可以保證IR2110直接用于母線電壓為4-500V的系統(tǒng)以驅(qū)動(dòng)功率MOSFET。同時(shí)器件本身允許驅(qū)動(dòng)信號(hào)的電壓上升率達(dá)至±50V/μs。芯片自身具備整形功能，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)論輸入信號(hào)前后沿如何陡峭，均可保證加到被驅(qū)動(dòng)MOSFET柵極上的驅(qū)動(dòng)信號(hào)前后沿非常陡峭，因而可以極大地減少被驅(qū)動(dòng)功率器件的開關(guān)時(shí)間，降低開關(guān)損耗。而IR2110本身的功耗極小，所以可以極大地減小柵極驅(qū)動(dòng)電路的電源電量，從而可以有效減小柵極驅(qū)動(dòng)電路的體積以及尺寸。當(dāng)其工作電源電壓為15V時(shí)，其功耗僅為1.6mW。IR2110的合理設(shè)計(jì)，使得其輸入級(jí)電源與輸出級(jí)電源可以應(yīng)用不同的電壓值，從而保證其輸入與CMOS或者TTL電平兼容，而輸出具備較寬的驅(qū)動(dòng)電壓范圍（5-20V）。同時(shí)，允許邏輯地與工作地之間有-5到+5V的電位差。在IR2110內(nèi)部，不但集成有獨(dú)立的邏輯電源以實(shí)現(xiàn)與用戶脈沖匹配，而且集成有滯后和下拉特性的施密特觸發(fā)器作為輸入級(jí)，保證當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路電壓過(guò)小時(shí)封鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，防止被驅(qū)動(dòng)功率MOS器件退出飽和區(qū)進(jìn)入放大區(qū)而損壞電子元件。IR2110設(shè)計(jì)的完備性，使得其本身可以對(duì)于輸入的兩個(gè)通道信號(hào)之間產(chǎn)生合適的延時(shí)，保證加到被驅(qū)動(dòng)的同橋臂上的兩個(gè)功率MOS器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間有一互鎖時(shí)間間隔，能夠防止被驅(qū)動(dòng)的逆變橋中兩個(gè)功率MOS器件同時(shí)導(dǎo)通，防止直通短路的危險(xiǎn)。IR2110的的最高工作頻率較高，內(nèi)部對(duì)于信號(hào)的延時(shí)很小。對(duì)于雙通道而言，其典型開通時(shí)延為120ns，而關(guān)斷時(shí)延為94ns，且兩個(gè)通道之間的時(shí)延誤差不超過(guò)±10ns，因而決定IR2110可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)最高工作頻率大于1MHz的門極驅(qū)動(dòng)。IR2110的輸出級(jí)采用推挽結(jié)構(gòu)(推挽結(jié)構(gòu)指兩個(gè)三極管分別受兩個(gè)互補(bǔ)信號(hào)的控制，在其中一個(gè)三極管導(dǎo)通的時(shí)候另外一個(gè)截止)來(lái)驅(qū)動(dòng)功率MOSFET，輸出最大的驅(qū)動(dòng)電流為2A，且開關(guān)速度較快[2]。當(dāng)所驅(qū)動(dòng)的功率MOS器件的柵極等效電容為1000pF時(shí)，該開關(guān)時(shí)間的典型值為25ns。IR2110原理圖見(jiàn)圖1，其內(nèi)部集成有一個(gè)邏輯信號(hào)輸入級(jí)及兩個(gè)獨(dú)立的、分別以高電壓、低電壓為基準(zhǔn)的輸出通道，它的主要構(gòu)成有三個(gè)獨(dú)立的施密特觸發(fā)器、兩個(gè)RS觸發(fā)器、兩個(gè)Vdd/Vcc電平轉(zhuǎn)換器(TTL、CMOS、ECL等電路的高低電平閥值不同，他們之間邏輯連接需要電平轉(zhuǎn)換；另外接口與接口之間，如RS232與485之間，USB與串口之間等等，由于這些接口協(xié)議里面定義的電平不同，所以也需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。)、一個(gè)脈沖放大環(huán)節(jié)、一個(gè)脈沖濾波環(huán)節(jié)、一個(gè)高壓電平轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)及兩個(gè)或非門、六個(gè)MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管、一個(gè)具有反相輸出的與非門、一個(gè)反向器和一個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò)[3]。圖1IR2110的原理圖2IR2110的工作原理IR2110的工作原理可以簡(jiǎn)述如下：兩個(gè)輸出通道（上通道及下通道）的控制脈沖通過(guò)邏輯電路與輸入信號(hào)相對(duì)應(yīng)，當(dāng)保護(hù)信號(hào)（SD）輸入端為低電平時(shí)，同相輸出的施密特觸發(fā)器輸出為低電平，兩個(gè)RS觸發(fā)器的置位信號(hào)無(wú)效，兩個(gè)或非門的輸出跟隨HIN及LIN變化；而當(dāng)SD端輸入為高電平時(shí)，因施密特觸發(fā)器輸出高電平，兩個(gè)RS觸發(fā)器置位，兩或非門輸出恒為低電平，HIN及LIN輸入信號(hào)無(wú)效，此時(shí)即使SD變?yōu)榈碗娖?，但由于RS觸發(fā)器由Q端維持高電平，兩或非門輸出將保持低電平，直到施密特觸發(fā)器輸出脈沖的上升沿到來(lái)，兩個(gè)或非門才因RS觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)為低電平而跟隨HIN及LIN變化。由于邏輯輸入級(jí)中的施密特觸發(fā)器具有一定的滯后，因而整個(gè)邏輯輸入級(jí)具有良好的抗干擾能力，并可接受上升時(shí)間較長(zhǎng)的輸入信號(hào)，再則邏輯電路以其自身的邏輯電源為基準(zhǔn)，這就決定邏輯電源可用比輸出電源電壓低得多的電源。為將邏輯信號(hào)電平轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鲵?qū)動(dòng)信號(hào)電平，片內(nèi)設(shè)置兩個(gè)抗干擾性能很好的Vdd/Vcc電平轉(zhuǎn)換電路，該電路的邏輯地電位（Vss）和功率電路地電位（COM）之間允許有+/-5V的額定偏差，因此決定邏輯電路不受輸出驅(qū)動(dòng)開關(guān)動(dòng)作而產(chǎn)生的耦合干擾的影響。集成于片內(nèi)下通道內(nèi)的延時(shí)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)通道的傳輸延時(shí)，此種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化控制電路時(shí)間上的要求。兩個(gè)通道分別應(yīng)用兩個(gè)相同的推挽式低阻場(chǎng)效應(yīng)晶體管，該兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管分別有兩個(gè)N溝道的MOSFET驅(qū)動(dòng)，因而其輸出峰值電流可達(dá)2A以上。由于這種推挽式結(jié)構(gòu)，所以驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載時(shí)上升時(shí)間比下降時(shí)間長(zhǎng)，這一特征非常適宜功率驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)用，這是由于慢慢導(dǎo)通的MOSFET會(huì)減小二極管的反向恢復(fù)電流，但會(huì)增大損耗[4]。對(duì)于上通道，開通和關(guān)斷脈沖分別由HIN的上升和下降沿觸發(fā)，用以驅(qū)動(dòng)電平轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器接著又對(duì)工作于懸浮電位上的RS觸發(fā)器進(jìn)行置位或復(fù)位，這便是以地電位為基準(zhǔn)的HIN信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換為懸浮電位的過(guò)程。由于Vs端快速dV/dt瞬變產(chǎn)生的RS觸發(fā)器的誤觸發(fā)可以通過(guò)一個(gè)鑒別電路與正常的下拉脈沖有效地區(qū)別開來(lái)，這樣，上通道基本上可承受任意幅值的dV/dt值，并保證上通道的電平轉(zhuǎn)換電路即使在Vs端電壓降到比COM端還低4V時(shí)仍能正常工作。對(duì)于下通道，由于正常時(shí)SD為低電平、Vcc不欠壓，所以施密特觸發(fā)器的輸出跟隨LIN而變化，此信號(hào)經(jīng)下通道中的Vdd/Vcc電平轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后加給延時(shí)網(wǎng)絡(luò)，由延時(shí)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)一定的時(shí)間后加到與非門電路，其同相和反向輸出分別用來(lái)控制兩個(gè)互補(bǔ)輸出級(jí)中的低阻場(chǎng)效應(yīng)晶體管驅(qū)動(dòng)級(jí)中的MOS管。當(dāng)Vcc低于電路內(nèi)部整定值時(shí)，下通道中的欠壓檢測(cè)環(huán)節(jié)輸出，在封鎖下通道的同時(shí)封鎖上通道的脈沖產(chǎn)生環(huán)節(jié)，使整個(gè)芯片的輸出被封鎖；而當(dāng)Vb欠電壓時(shí)，則上通道中的欠電壓檢測(cè)環(huán)節(jié)輸出僅封鎖上通道的輸出脈沖。IR2110的典型應(yīng)用連接圖見(jiàn)圖2。通常，它的輸出級(jí)的工作電源是一懸浮電源，這是通過(guò)一種自舉技術(shù)由固定的電源得來(lái)的。充電二極管VD的耐壓能力必須高于母線的峰值電壓。為減小功耗，推薦采用快速恢復(fù)的二極管。圖2IR2110典型連接圖為向需要開關(guān)的容性負(fù)載提供瞬態(tài)電流，應(yīng)用中應(yīng)在Vcc和COM間、Vdd和Vss間連接兩個(gè)旁路電容，這兩個(gè)電容及Vb和Vs間的儲(chǔ)能電容都要與器件就近連接。建議Vcc上的旁路電容用一個(gè)0.1μF的陶瓷電容和一個(gè)1μF的膽電容并聯(lián)，電源Vdd上有一個(gè)0.1μF的陶瓷電容足矣。功率的MOSFET或IGBT可在輸出處串一個(gè)柵極電阻，柵極電阻的值依賴于電磁兼容（EMC）的需要、開關(guān)損耗及其最大允許dV/dt值。由于電平轉(zhuǎn)換損耗通常比漏電損耗要大得多，因而靜態(tài)損耗通?？珊雎浴?shí)驗(yàn)證明：當(dāng)VB為定值時(shí)，對(duì)于容性負(fù)載來(lái)說(shuō)，在一定的工作溫度下，隨著被驅(qū)動(dòng)的MOSFET或IGBT工作開關(guān)頻率的提高，在固定的高壓母線電壓VH下，開關(guān)損耗值將線性增大，并且隨被驅(qū)動(dòng)的MOSFET或IGBT工作電路中母線電壓的提高，開關(guān)損耗亦增大，并且隨著容性負(fù)載電容值的增大而增大。實(shí)際上，在電平轉(zhuǎn)換期間，Vs是變化的。自舉電容C依賴于開關(guān)頻率，占空比和功率MOSFET或IGBT柵極的充電需要。應(yīng)注意的是電容兩端電壓不允許低于欠電壓封鎖臨界值，否則將產(chǎn)生保護(hù)性關(guān)斷。具體說(shuō)來(lái)，自舉電容C的大小取決于MOSFET的門極充電電荷、最大導(dǎo)通時(shí)間以及最小導(dǎo)通時(shí)間。3IR2110驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)IR2110是一種高壓高速功率MOSFET驅(qū)動(dòng)器，擁有獨(dú)立的高端和低端輸出驅(qū)動(dòng)通道，其內(nèi)部功能原理框圖如圖3所示。它包括輸入/輸出邏輯電路、電平移位電路、輸出驅(qū)動(dòng)電路欠壓保護(hù)和自舉電路等部分。各引出端功能分別是：1端(LO)是低通道輸出；2端(COM)是公共端；3端(VCC)是低端固定電源電壓；5端(US)是高端浮置電源偏移電壓；6端(UB)是高端浮置電源電壓；7端(HO)是高端輸出；9端(VDD)是邏輯電路電源電壓；10端(HIN)是高通道邏輯輸入；11端(SD)是輸入有效與否的選擇端，可用來(lái)過(guò)流過(guò)壓保護(hù)；12端(LIN)是低通道輸入；13端(VSS)是邏輯電路的地端[5]。圖3IR2110內(nèi)部功能原理框圖如圖3所示，在BUCK變換器中只需驅(qū)動(dòng)單個(gè)MOEFET，因此僅應(yīng)用IR2110的高端驅(qū)動(dòng)，此時(shí)將12端(LIN)低通道輸入接地、1端(LO)低通道輸出懸空。5端(US)和6端(UB)間連接一個(gè)自舉電容C1，自舉電容通常為1μF和0.1μF并聯(lián)使用。正常工作時(shí)，電源對(duì)自舉電容C1的充電是在續(xù)流二級(jí)管D1的導(dǎo)通期間進(jìn)行。此時(shí)，MOEFET截止，其源極電位接近地電位，+12v電源通過(guò)D2給C1充電，使C1上的電壓接近+12v，當(dāng)MOEFET導(dǎo)通而D1截止時(shí)，C1自舉，D2截止，C1上存儲(chǔ)電荷為IR2110的高端驅(qū)動(dòng)輸出提供電源。實(shí)際應(yīng)用中，邏輯電源VDD接+5V，低端固定電源電壓VCC接+12V；對(duì)驅(qū)動(dòng)電路測(cè)試時(shí)需將VS端接地。自舉電容C1的值不能太小，否則其上的自舉電壓達(dá)不到12V，驅(qū)動(dòng)脈沖的幅值不夠。在功率變換裝置中，根據(jù)主電路的結(jié)構(gòu)，起功率開關(guān)器件一般采用直接驅(qū)動(dòng)和隔離驅(qū)動(dòng)兩種方式.美國(guó)IR公司生產(chǎn)的IR2110驅(qū)動(dòng)器，兼有光耦隔離和電磁隔離的優(yōu)點(diǎn)，是中小功率變換裝置中驅(qū)動(dòng)器件的首選。問(wèn)題采用一定電壓的方波驅(qū)動(dòng)全橋的4個(gè)MOSFET，可以讓這個(gè)方波經(jīng)過(guò)IR2110，再去驅(qū)動(dòng)MOSFET，請(qǐng)問(wèn)此時(shí)的IR2110的作用是什么？可以直接利用方波驅(qū)動(dòng)MOSFET么？IR2110的低端輸出端輸出的是高電平還是低電平？除IR2110芯片還有什么高壓全橋驅(qū)動(dòng)芯片?參考文獻(xiàn)[1]楚斌.IR2110功率驅(qū)動(dòng)集成芯片應(yīng)用[J].電子工程師,2004(10):33-35.[2]孫鴻祥,鄭丹,祝典.基于IR2110的驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)用和設(shè)計(jì)技巧[J