功率驅動器IR2110自舉電路分析及應用

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

1 引言

IR2110功率驅動器在開關電源和電機控制調速等需要中小功率能量轉換場合中使用廣泛[1]。IR2110可使電路系統體積得到有效精簡、響應速度快、可耐受600V電壓、驅動輸出電流2A、帶有欠壓鎖定功能并且有端口可外接過流檢測電路[2]。其承受高壓的高邊外圍電路采用自舉方式，可有效減少電源路數[3]。但IR2110若設計疏于考慮，自舉外圍電路參數選取不當容易影響系統工作穩定性甚至損壞系統。因此結合實際項目經驗介紹其功能、自舉電路參數選擇和在電機調速系統中的應用。

2 IR2110功能介紹

IR2110是一種高電壓的高速大功率MOSFET和IGBT驅動器，帶有獨立的高邊和低邊輸出溝道[4]。具有專利高壓集成電路和可避免閂鎖CMOS技術的單片結構。邏輯輸入兼容標準的CMOS和LSTTL輸出[5]。輸出驅動器具有為了最小化驅動器的交叉傳導所設計的死區時間。為了簡化在高頻應用中的使用方式，匹配了傳輸延遲。浮動的溝道可用于驅動N溝道功率MOSFET或者IGBT，在高邊結構中操作電壓可達到600V。表1所示為IR2110引腳功能表。

3 自舉原理介紹

IR2110的自舉電路可提供電荷驅動對應功率管并提升相應點的電壓，電路由一個自舉電容和二極管構成，在結構中對其有嚴格要求[6]。如圖1所示為驅動芯片自舉電路示意圖，圖中由C1和D1構成自舉電路。若元氣件選取不當會對輸出電壓產生影響，降低系統穩定性。需根據應用情況計算器件參數進行合理選取。在圖1中C1為自舉電容，D1為自舉二極管，C2是低壓電源VCC（15V）的濾波電容。

表1 IR2110引腳功能表

當LO為高電平，低邊功率管S2導通，半橋輸出為0V低電平。低電壓電源VCC通過通過自舉二極管D1向自舉電容C1充電。VCC、D1、C1和S2構成充電回路，如圖2（a）所示。LO與HO是互補輸出，HO經過適當的死區時間變為低電平，高邊功率管S1斷開。

根據應用電路中功率管參數，計算出C1大小后，若C1電壓達到VCC電壓，使LO輸出低電平，S2斷開。此時與LO互補的HO經過適當的死區時間變為高電平，片內MOS管VM1導通，VM2斷開，C1電容電壓通過VM1和R1加在高邊功率管S1柵級上，S1導通，如圖2（b）所示。半橋輸出為高電平，此時VB端電壓為高壓VH與自舉電容電壓之和。

當HO轉為低電平時，VM2導通，與HO互補的LO經過適當的死區時間變為高電平，S2導通接地。S1柵極電荷經過R1和VM2快速放電，S1關斷。VCC、D1、C1和S2再次構成充電回路為自舉電容充電，循環往復。

圖1 IR2110自舉電路示意圖

圖2 自舉電容充放電回路示意圖

4 自舉電路參數分析

4.1 自舉電容值的計算

MOSFET工作在線性開關狀態，需要給對應的柵極提供一定能量保證其完成高頻率的通斷工作。假設功率管導通后，C1兩端電壓與功率管完全導通電壓（10V）相比要高，C1充電回路上共有1.5V的壓降（包括自舉二極管正向壓降）。并假設一半的柵極電壓由于漏電流產生壓降（柵極閾值VTH一般為3-5V）。則自舉電容值可表示為：

其中Qg為功率管完全導通需要的電荷量。如IRF2807的柵電荷是160nC（由其電特性表得出），低邊電源電壓VCC為15V，則有：

這樣自舉電容最小值約為0.1μF，應用中也可以選擇大一些的電容值如0.22μF，需注意要選擇耐壓值高的器件。

4.2 高邊功率管導通時間ton(max)與ton(min)

高邊功率管S1在整個導通時間內，自舉電容都要符合式 (1)的關系式來保證S1的柵級電荷量足夠。場效應管的柵極輸入阻抗很高，假設柵極在電源電壓為15V時的漏電流為15μA，此漏電流是從自舉電容中抽出的。若以文中的C1參數計算：

其中Qg為功率管柵電荷，ΔU為C1充電時兩端電壓，Qa為C1上存儲的可用電荷，ΔQ為功率管柵極放電后C1上的過剩電荷量，ΔUC為功率管柵極放電后C1兩端電壓。R是S1柵極輸入阻抗為1 MΩ，即可得出 ton(max)為 53.8ms。

在C1的充電回路上，功率管中的分布電感會對充電速度產生影響。低邊S2管的ton(min)應保證C1上充滿一定的電荷量QC1，QC1應滿足功率管S1柵級所需要的電荷加上其漏電流損失的電荷量。在實際應用時要綜合考慮，在高占空比的場合C1應選小一些，不然在一定時間內不能充滿，但也不能過小。

4.3 自舉二極管

在自舉電路中的D1應在高邊S1導通時承受輸入的高壓VH起到阻斷作用，并降低C1到低電源電壓VCC的反向電荷，選擇FRD型二級管，其反向漏電流越小可降低電荷損失[7]。D1上流過的電流IF可表示為：

其中Qg為功率管柵電荷，f為開關頻率。D1耐壓值的選取應按照功率管的要求決定，最大恢復時間要不大于100ns。

5 IR2110應用示例

圖3所示為直流電調速系統框圖，由一個可變電阻產生速度電壓信號，由PWM系統產生兩路脈沖信號控制驅動器，增加光耦隔離阻斷高低壓之間的干擾[8]。傳感器將電機轉速傳遞給F/V變換器將電壓信號反饋給控制器實現閉環調節電機轉速。

圖3 電機調速系統框圖

系統中選擇兩片IR2110驅動直流電機，電路圖如圖4所示。選擇IRF450組成全橋驅動電機，PWM控制器輸出的兩路脈沖信號分別傳送給HIN和LIN，四個功率管按照電平脈沖導通關斷完成電機的驅動。

圖4 IR2110驅動電路

低電源電壓為15V，根據自舉電路參數的分析，自舉二極管選擇FR307，其耐壓值高于高邊電壓峰值[9]。自舉電容選擇0.1μF獨石電容，其容量穩定精確、體積小、可靠性高且頻率和溫度特性十分穩定[10]。自舉電容上的電壓要大于2110欠壓閉鎖電壓值的最大值。在低邊電源電壓和公共端間、邏輯電源電壓和邏輯電路地間加入旁路電容，去掉電源中的高頻擾動。2110低邊和高邊輸出阻抗小，與此連接的功率管會快速的開啟和關斷，由于速度過快可能產生功率管輸出電壓的振蕩或過沖影響系統穩定性。為解決上述問題在HO和LO與功率管之間加入22Ω電阻和反向二極管作為過沖保護。

6 結束語

IR2110是一款性能優良的驅動芯片，其響應速度快、可耐受600V電壓。其承受高壓的高邊外圍電路采用自舉方式，可有效減少電源路數。在開關電源和電機控制調速等需要中小功率能量轉換場合中使用廣泛。文中詳細介紹了高邊自舉結構的工作過程。得出自舉電容最小值為0.1μF，若MOS管選取IRF2807時得出最大導通時間為53.8ms。并給出自舉二極管的選擇條件。舉例IR2110在直流電機調速中的應用。