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摘要:三相全桥技术具有应用广泛,控制方便,电路简单等特点,因此,广泛应用于逆变电源,变频技术,电力电子等相关领域,但其功率MOSFET以及相关的驱动电路的设计直接与电路的可靠性紧密相关,如MOSFET的驱动电路设计不当,MOSFET很容易损坏,因此本文主要分析和研究了成熟驱动控制芯片
IR2181S组成的电路,并设计了具体的电路,为提高MOSFET的可靠性作一些研究,以便能够为设计人员在设计产品时作一些参考。
关键词:IR2181S驱动芯片;MOSFET;全桥电路;自举电路设计;吸收电路
IR2181S的结构和驱动电路设计
IR2181S是IR公司研发的一款专用驱动芯片电其内部结构参考图1:主要由:低端功率晶体驱动管,高端功率晶体驱动管,电平转换器,输入逻辑电路等组成。
IR2181S优点是可靠性高,外围电路简单。它驱动的MOSFET高压侧电压可以达到600V,最大输出电流可达到1.9A(高端)2.3A(低端)。
具体设计电路时如将MOSFET或IGBT作为高压侧开关(漏极直接接在高压母线上)需在应用的时候需要注意以下几点:
(1)栅极电压一定要比漏极电压高10-15V,作为高压侧开关时,栅极电压是系统中电压最高的。
(2)栅极电压从逻辑上看必须是可控制的,低压侧一般是以地为参考点的,但在高端是就必须转换成高压侧的源极电位,相当于将栅极驱动的地悬浮在源极上,所以在实际应用中栅极控制电压是在母线电压之间浮动的。
(3)栅极驱动电路吸收的功率不会显著影响整个电路的效率。
图2是以IR2181S驱动芯片设计的三相全桥电路:
图2中应用到三个IR2181S驱动芯片每路驱动一组桥臂,提供高端和低端两路驱动信号(HO*,LO*),以第一路桥臂为例(其它同理):IR2181S输入是由DSP或其他专用驱动信号发生芯片产生的高端和低端两路驱动信号,经过2181输出同样也
为两路,但经过2181内部处理后输出的信号和输入控制信号完全隔离,输出电流可以达到2A,上图中IR218S低端输出(LO1)驱动下管的信号是以直流母线侧负端为参考点,输出信号幅值大概在15V左右满足MOSFET开通要求。高端输出是以U1为参考基准,电位浮在母线上,当上端开通时IR2181S通过自举电路(C4,C5)将电压举升到栅极开启电压值。其电压值约为: UG=U母线+15V
上述电路中(以Q2为例)电容C4,C5和自举二极管组成的泵电路,其中自举电容和自举二极管等参数都是要经过精密计算的,其工作原理和计算方法如下:
(1)工作原理:当电路工作时Vs被拉倒地(输出接负
载)+15V通过二极管给自举电容C4,C5充电也因此给Vs一个工作电压满足了电路工作。
(2)参数设计:计算电容参数时应考虑到以下几点,
①MGT栅极电荷;
②高压侧栅极静态电流;
③2181内部电平转换电路电流;
④MGT G和S之间的电流。(备注:因自举电路一般选择非电解电容设计时电容漏电流可以忽略。)
此公式给出了对自举电容电荷的最小要求;
Q=2Qg+Iqbs/f+Qls+Icbs/f
注:Qg为高端MOSFET栅极电荷。
f为系统工作频率。
Icbs为自举电容漏电流(本电路为非电解电容可忽略不计)。
Qls为每个周期内电平转换电路对电荷的要求。
(500/600V IC为5nc 1200V IC为20nc)。
Iqbs为高端驱动电路静态电流。
上述计算的电荷量是保证芯片正常工作的前提条件,只有保证自举电容能提供足够的电荷和稳定的电压才不会使Vbs产生大的纹波IR2181S内部才能正常工作。为了减小纹波我们一般增加自举电容的电荷量,一般为计算值的2-3倍,其电容值应为:
C≥3[2Qg+Iqbs/f+Qls+Icbs/f]/Vcc-Vf-Vls
式中:Vf为自举二极管正向压降
Vls为低端MOSFET自身压降或负载上的压降。
由上式计算的电容值为理论值实际应用时如选择的电容值太小或考虑到电容老化和线路的分布电容等问题是会造成电路电容过充电从而造成IC的损坏,因此根据经验实际应用的电容值应是计算值的10-15倍这样才能有效减小Vbs 的纹波系统可靠性才能提高。
自举二极管的选择应遵循:当高压侧MOSFET开通时二极管应能快速的截止高压阻止向+15V回馈电荷。二极管Vrrm=直流母线电压最大恢复时间Trr=100ns If=Qbs×f。
另外在电路工程化时更要注意PCB布板的细节。
(1)电容要尽量布在IC管脚附近避免线路太长,同时尽量
减小IR2181S高低端输出所包含的面积,减小分布电感和电容。
(2)IR2181S输出最好和MOSFET直接连接尽量少用接线
端子,如不能直接相连可用屏蔽线或双绞线连接并且三路输
出尽量不要平行。
(3)为保证栅极电压稳定可采取图2的电路即栅源之间并联一个由10K/0。25w和稳压管IN4744组成的保护电路的的电阻。
图3为推荐PCB方式。
在图4中每只MOSFET都采用了快速二极管和电阻并联再串联电容的吸收电路效果十分明显(适用于中功率电路)。
图4中C为缓冲电容,R为放电电阻,τ为电压上升限制时间。
电容容量C=Im*τ/Vd放电电阻R的选择应遵循当C充
满电后MOSFET开通时电容的放电电流IR不能太大同时也要保证在MOSFET在一个开通周期内C上的电要能全部放完。即:
IR = Vd/R
RC=(1/3―1/5)Ton
电阻的功率PR=CV2d×f/2
随着现代电子工艺的发展,功能像IR2181S一样的集成驱
