摘 要：本文介紹IR2130集成芯片的特點和工作原理，并應(yīng)用該芯片作為三相混合式步進(jìn)電機三相半橋的逆變驅(qū)動, 經(jīng)實驗表明IR2130驅(qū)動的逆變橋電路簡單、工作穩(wěn)定。

1 前言

IR公司推出的IR21xx系列集成芯片是MOS、IGBT功率器件專用柵極驅(qū)動芯片，通過自舉電路工作原理，使其既能驅(qū)動橋式電路中低壓側(cè)的功率器件，又能驅(qū)動高壓側(cè)的功率元件，因而在電機控制、伺服驅(qū)動、UPS電源等方面得到廣泛應(yīng)用。這些器件集成了特有的負(fù)電壓免疫電路，提高了系統(tǒng)耐用性和可靠性，有些器件不僅有過流、過溫檢測輸入等功能，還具有欠壓鎖定保護(hù)、集成死區(qū)時間保護(hù)、擊穿保護(hù)、關(guān)斷輸入、錯誤診斷輸出等功能。

2 IR2130芯片特點

IR2130是600V以下高壓集成驅(qū)動器件，它具有六路輸入信號和六路輸出信號，且只需一個供電電源即可驅(qū)動三相橋式逆變電路的6個功率開關(guān)器件，一片IR2130可替代3片IR2110,使整個驅(qū)動電路更加簡單可靠。

IR2130芯片具有以下一些特點：

（1）可直接驅(qū)動高達(dá)600V電壓的高壓系統(tǒng)，輸出端具有dV/dt抑制功能;

（2）最大正向峰值驅(qū)動電流為250mA，反向峰值驅(qū)動電流為500mA;

（3）具有電流放大和過電流保護(hù)功能，同時關(guān)斷六路輸出;

（4）自動產(chǎn)生成上、下側(cè)驅(qū)動所必需的死區(qū)時間（2.5μs）;

（5）具有欠壓鎖定功能并能及時關(guān)斷六路輸出;

（6）2.5V邏輯信號輸入兼容。

IR2130的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示,引腳定義VCC為輸入電源, HIN1、HIN2、HIN3、LIN1、LIN2、LIN3為輸入端,FALUT為故障輸出端, ITRIP為電流比較器輸入端，CAO為電流放大器輸出端, CA-為電流放大器反向輸入端,VSS為電源地,VSD為驅(qū)動輸出地,L01、L02、L03為三路低側(cè)輸出,VB1、VB2、VB3為三路高側(cè)電源端，HO1、HO2、HO3為三路高側(cè)輸出端，VS1、VS2、VS3為高端側(cè)電源地。

圖1 IR2130內(nèi)部原理圖

正常工作時,輸入的6 路邏輯控制信號經(jīng)內(nèi)部的3個輸入信號處理器處理,下橋臂信號L1-L3經(jīng)輸出驅(qū)動器功放后,直接送往被驅(qū)動功率器件。而上橋臂功率管的信號H1-H3先經(jīng)集成于IR2130內(nèi)部的3 個電平移位器中的自舉電路進(jìn)行電位變換, 變?yōu)? 路電位懸浮的驅(qū)動信號, 再經(jīng)對應(yīng)的3路輸出鎖存器鎖存并經(jīng)嚴(yán)格的電壓檢驗之后, 送到輸出驅(qū)動器后才加到被驅(qū)動的功率管。

當(dāng)外部電流發(fā)生過流時，電流檢測單元送來的信號高于內(nèi)部給定電壓0.5V，IR2130內(nèi)部的電流比較器迅速翻轉(zhuǎn),使故障邏輯處理單元輸出低電平，快速封鎖3路輸入脈沖信號處理器的輸出，使IR2130的輸出全為低電平，保護(hù)功率管;同時IR2130的FAULT腳電平拉低，輸出故障指示。若發(fā)生工作電源欠壓，則欠壓檢測器迅速翻轉(zhuǎn)，也會進(jìn)行類似動作。發(fā)生故障后，IR2130內(nèi)的故障邏輯處理單元的輸出將保持故障閉鎖狀態(tài)，直到故障清除。在信號輸入端LIN1-LIN3同時被輸入高電平時，才可以解除故障閉鎖狀態(tài)。

3 IR2130在電機驅(qū)動中的應(yīng)用

本文將IR2130作為信號的前級驅(qū)動，將其應(yīng)用在三相混合式步進(jìn)電機驅(qū)動系統(tǒng)中做驅(qū)動信號的轉(zhuǎn)換。三相逆變橋中的一個橋的典型連接如圖2所示，系統(tǒng)主供電電壓為220VAC，經(jīng)整流濾波得到的近310V的直流母線電壓，圖中C1是自舉電容，為上橋臂功率管驅(qū)動的懸浮電源存儲能量，當(dāng)開關(guān)頻率大于5kHz 時, 該電容值應(yīng)不小于0.1UF, 且選低漏電流的瓷片電容為好;D1為自舉二極管，其作用是防止上橋臂導(dǎo)通時的直流電壓母線電壓加到IR2130的電源上而使器件損壞，因此D1應(yīng)有足夠的反向耐壓，為了滿足主電路功率管開關(guān)頻率的要求，D1還應(yīng)選超快速恢復(fù)型二極管。R1和R2是IGBT的柵極限流電阻, 一般可采用十幾到幾十歐。不同電阻值對IGBT的動態(tài)特性將產(chǎn)生極大的影響，數(shù)值較小的柵極電阻使柵極電容充放電較快，但同時它只能承受較小的柵極噪聲，并導(dǎo)致柵極-發(fā)射極之間電容同驅(qū)動電路引線的寄生電感產(chǎn)生振蕩問題。不同電流容量的IGBT器件的柵極限流電阻有不同的取值 ,功率越大的管子?xùn)艠O電阻應(yīng)越小。

圖2 IR2130在半橋驅(qū)動中的典型接線

驅(qū)動系統(tǒng)通過IR2130將電機控制PWM信號，經(jīng)三相半橋逆變電路后驅(qū)動電機,實現(xiàn)了電機電流調(diào)節(jié)，結(jié)果如圖3所示，通道1為給定電流，通道2為實際輸出電流，從結(jié)果上看，電流波形和給定電流基本吻合（由于控制的需要，給定與實際電流的相位相反）。

圖3 電機實際電流波形

4 IR2130使用注意事項

首先IR2130在使用上要注意以下幾點：

（1）由于IR2130的電流檢測輸入端直接與主電路連接,很容易引入干抗，因此電流檢測電阻應(yīng)采用無感電阻。

（2）由于IR2130 采用了不隔離的驅(qū)動方式,若主電路功率器件損壞,高壓將直接串入IR2130，引起IR2130永久性損壞, 嚴(yán)重時還會將IR2130 前級電路擊穿。所以當(dāng)IR2130的輸入信號來自微處理器時必須采取隔離措施[3]。

其次由IR2130組成的自舉電路各個參數(shù)的選擇要注意，特別是自舉電容和自舉二極管，柵極電阻也是必須要考慮的因素之一。PCB的布局和布線上也有嚴(yán)格要求，如何減小自舉電路上由于引腳連接和PCB引線上產(chǎn)生的電感，可從以下幾個方面考慮：

（1）使用寬線直接連接兩個功率器件，不要有環(huán)路和遠(yuǎn)離;

（2）單點連接IR213O的地和功率地，同時考慮功率地和邏輯地的單點連接;

（3）IR2130距離功率器件越近越好，自舉電容盡量靠近驅(qū)動IC;

5 結(jié)語

本文介紹了IR2130芯片的特點，并成功將其應(yīng)用在三相混合式步進(jìn)電機驅(qū)動系統(tǒng)中, 通過樣機測試及實際現(xiàn)場使用，結(jié)果都表明該驅(qū)動電路工作十分可靠，還可地實現(xiàn)短路、過流、欠壓等故障保護(hù)。