引言

美國IR公司的IR2110芯片是一種雙通道、柵極驅(qū)動、高壓高速功率器件的單片式集成驅(qū)動模塊。由于它具有體積小、成本低、集成度高、響應(yīng)速度快、偏值電壓高、驅(qū)動能力強等特點，自推出以來，這種適于功率MOSFET、IGBT驅(qū)動的自舉式集成電路在電機調(diào)速、電源變換等功率驅(qū)動領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。IR2110采用先進的自舉電路和電平轉(zhuǎn)換技術(shù)，大大簡化了邏輯電路對功率器件的控制要求，使得每對MOSFET（上下管）可以共用一片IR2110，并且所有的IR2110可共用一路獨立電源。對于典型的6管構(gòu)成的三相橋式逆變器，可采用3片IR2110驅(qū)動3個橋臂，僅需1路10V～20V電源。這樣，在工程上大大減少了驅(qū)動電路的體積和電源數(shù)目，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)可靠性。

1、IR2110內(nèi)部結(jié)構(gòu)及功能特點

IR2110浮置電源采用自舉電路，其高端工作電壓可達500V，工作頻率可達到500kHz，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。它由三個部分組成：邏輯輸入，電平平移及輸出保護。IR2110采用CMOS工藝制作，邏輯電源電壓范圍為5V~20V，適應(yīng)TTL或CMOS邏輯信號輸入，具有獨立的高端和低端2個輸出通道，兩路通道均帶有滯后欠壓鎖定功能。由于邏輯信號均通過電平耦合電路連接到各自的通道上，容許邏輯電路參考地（Vss）與功率電路參考地（COM）之間有5V的偏移量，并且能屏蔽小于50ns的脈沖，有較理想的抗噪聲效果。

圖1IR2110內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

IR2110的自舉電路特別適合于各種橋式驅(qū)動電路，其典型應(yīng)用如圖2所示。引腳3（VCC）和6（VB）分別是低端電源電壓和高端浮置電源電壓，引腳2（COM）是低端電源公共端，引腳5（Vs）是高端浮置電源公共端，引腳9（VDD）是邏輯電路電源電壓，引腳13（Vss）是邏輯電路接地端，引腳11（SD）是輸入信號關(guān)閉端。VCC為10V~20V功率管門極驅(qū)動電源，由于VSS可與COM連接，則VCC與VDD可共用同一個典型值為+15V的電源。

圖2IR2110典型應(yīng)用電路

當輸入邏輯信號HIN/LIN=1時，輸出信號HO/LO=1，控制MOSFET導通;當HIN/LIN=0時，HO/LO=0，控制MOSFET關(guān)斷，其SD輸入可以用來閉鎖這二路驅(qū)動。如果這兩路驅(qū)動電壓小于8.3V，輸出信號會因欠壓而被片內(nèi)封鎖。輸出柵極驅(qū)動電壓的范圍為10V~20V，其電平典型轉(zhuǎn)換時間為：Ton=120ns，Toff=94ns。死區(qū)時間的典型值為10ns，內(nèi)置的死區(qū)電路可以防止由于MOS器件關(guān)斷延時造成的直臂導通現(xiàn)象，提高了系統(tǒng)的可靠性。

2、無刷直流電機驅(qū)動電路

永磁無刷直流電機是隨著高性能永磁材料、電機控制技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型電機，它既具有交流電機結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便、壽命長等優(yōu)點，又具備直流電機運行效率高、無勵磁損耗及調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點，而且還具有功率密度高，低轉(zhuǎn)速，大轉(zhuǎn)矩的特點。它的應(yīng)用已從最初的軍事工業(yè)，向航空航天、醫(yī)療、信息、家電以及工業(yè)自動化等領(lǐng)域迅速發(fā)展。

圖3是由IR2110組成的無刷直流電機驅(qū)動電路原理圖（單橋臂）。此驅(qū)動電路采用以3片IR2110為中心的6個N溝道的MOSFET管組成的三相全橋逆變電路，僅對上橋臂功率MOSFET管進行PWM調(diào)制的控制方式。其輸入是以功率地為地的PWM波，送到IR2110的輸入端口，輸出控制N溝道的功率驅(qū)動管MOSFET的開關(guān)，由此驅(qū)動無刷直流電動機。

圖3無刷直流電機功率驅(qū)動電路

3、自舉器件的選用

無刷直流電機功率驅(qū)動電路中下橋臂三路功率管靠Vcc（+15V）經(jīng)IR2110芯片內(nèi)部MOS管控制開通，上橋臂三路功率管的柵極驅(qū)動電源是通過自舉電容充電儲能實現(xiàn)的。如圖3，C1和D1分別為自舉電容和二極管，C2為Vcc的濾波電容。假定在Q1關(guān)斷期間C1已充到足夠的電壓（Vc1Vcc）。當腳10（HIN）為高電平時，Vc1加到Q1的柵極和源極之間，C1通過Rg1和Q1柵極-源極電容Cge1放電，Cge1被充電，此時Vc1可等效為一個電壓源。當腳10（HIN）為低電平時，Q1柵電荷經(jīng)Rg1、Dg1、Rx1等迅速釋放，Q1關(guān)斷。經(jīng)短暫的死區(qū)時間（td）之后，另一路IR2110控制Q2開通，Vcc經(jīng)D1、Q2給C1充電，迅速為C1補充能量，如此循環(huán)反復(fù)實現(xiàn)自舉式驅(qū)動。

如果C1經(jīng)負載充電緩慢，在HIN=1時自舉電容C1的電壓仍充電不到自舉電壓8.3V以上時，輸出驅(qū)動信號會因欠壓被片內(nèi)邏輯封鎖，Q1就無法工作，因此自舉電容的選擇十分重要，選擇不當易造成芯片損壞或不能正常工作。自舉電容的容量取決于被驅(qū)動的功率MOSFET管開關(guān)頻率、導通和關(guān)斷占空比以及柵極充電電流的需要。由于此無刷直流電機驅(qū)動電路在工作的任意一時刻下橋臂均有一功率MOSFET管導通，而且系統(tǒng)采用的是上橋臂PWM調(diào)制方式，因此，驅(qū)動電路中的自舉電容充電時間比提供驅(qū)動電源的時間長，自舉電容充電較容易，故可以選擇較大容值，此驅(qū)動電路選擇1uF的電解電容。

電路中二極管D1的功能是防止Q1導通時過高電壓反串入Vcc端損壞該芯片。與IR2110供電電源連接的二極管D1，其反向耐壓必須大于被驅(qū)動的功率MOSFET管工作的峰值母線電壓，為了防止自舉電容兩端的放電，二極管要選用高頻的快恢復(fù)二極管，此電路選用FR107，它的最大反向恢復(fù)時間為500ns，最大反向耐壓1000V。

IR2110的開通與關(guān)斷傳輸延遲時間基本匹配，開通傳輸延遲時間比關(guān)斷傳輸延遲時間長25ns，這保證了同一橋臂的功率管在工作時不會發(fā)生同時導通，從而避免了直通故障的發(fā)生。為了進一步提高安全性，使功率管\慢開快關(guān)\，在功率管的柵極分別串聯(lián)上電阻Rg和二極管Dg。IR2110的驅(qū)動脈沖上升沿取決于Rg，Rg值不能過大以免使其驅(qū)動脈沖的上升沿不陡，但也不能過小使驅(qū)動均值電流過大而損壞IR2110。

4、結(jié)論

本文設(shè)計了基于功率驅(qū)動芯片IR2110的無刷直流電機功率驅(qū)動電路，并對相關(guān)器件進行了選型設(shè)計，本電路具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定可靠的特點。經(jīng)在某試驗樣機上驗證表明，此電路實現(xiàn)方案是有效可行的。