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集成IGBT驅動電路IR2110
IR2110是一種雙通道高壓,高速電壓型功率開關器件柵極驅動電路,其有自舉浮動電源,驅動電路非常簡單,只用一路電源可同時驅動上、下橋臂。但IR2110有它本身的缺陷,不能產生負壓,在抗干擾方面比較薄弱。文章來源:http://www.igbt8.com/qd/185.html
1.IR2110的主要特點及功能原理
IR2110采用14引腳DIP封裝,引腳排列如下圖(a)所示,其內部功能原理框圖如圖(b)所示。IR2110各引腳的功能分別是:①腳(LO))是低端輸出通道;②腳(COM)是公共端;③腳(Vcr)是低端固定電源電壓端;⑤腳( Us)是高端浮置電源偏移電壓端;⑥腳(UB)是高端浮置電源電壓端;⑦腳(HO)是高端輸出通道:③腳(VDO)是邏輯電路電源電壓端;⑩腳( HIN)、11腳(SD)、12腳(LIN)均是邏輯輸入端;13腳(VSS)是邏輯電路地電位端,外加電源電壓端,該端電壓值可以為0v;④腳、⑧腳、14腳均為空腳。
IR2110 IGBT驅動電路由邏輯輸入、電平轉換、保護、上橋臂側輸出和下橋臂側輸出等單元電路構成。邏輯輸入端采用施密特觸發電路,以提高抗干擾能力。邏輯輸入電路與TTL/COMS電平兼容,其輸入端閾值為電源電壓UDO的10%,各通道相對獨立。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-5~+15V的偏移量,并且能屏蔽小于50ns的脈沖,這樣便具有較理想的抗噪聲效果。兩個高壓MOS管推挽IGBT驅動電路的最大灌入或輸出電流可達2A,上橋臂通道可以承受500V的電壓。輸人與輸出信號之間的傳導延時較小,開通傳導延時為120ns,關斷傳導延時為95ns。電源端UCC的典型值為15V,邏輯電源和模擬電源共用一個15V電源,邏輯地和模擬地接在一起。輸出端設有對IGBT驅動電路電源的欠壓保護,當電源電壓低于8. 2V時,封鎖驅動輸出。
IR2110采用HVIC和閂鎖抗干擾CMOS 工藝制作,具有獨立的高端和低端輸出通道;浮置電源采用自舉電路,其高端工作電壓可達500V,duldt =土50V/ns,在15V下的靜態功耗僅有1. 6mW;輸出的柵極驅動電壓范圍為10~20V,邏輯電源電壓范圍為5~15V,邏輯電源地電壓偏移范圍為-5~ +5V。
2. IR2110的電氣特性
(1)額定值
IR2110 IGBT驅動電路的電氣特性參數額定值見下表:
(2)推薦工作條件
IR2110 IGBT驅動電路的推薦工作條件見下表:
(3) IR2110 IGBT驅動電路的優點
IR2110 IGBT驅動電路具有以下優點;
  ①自舉懸浮驅動電源可同時驅動同一橋臂的上、下兩個開關器件,驅動500V主電路系統,工作頻率高,可以達到500kHz。
  ②具有電源欠壓保護關斷邏輯。
  ③輸出用圖騰柱結構,驅動峰值電流為2A。
  ④兩通道設有低壓延時封鎖(50ns)。
  ⑤芯片還有一個封鎖兩路輸出的保護端SD,在該端輸入高電平時,兩路輸出均被封鎖。
IR2110的優點給實際系統設計帶來了極大方便,特別是自舉懸浮驅動電源大大簡化了驅動電源設計,只用一路電源即可完成上下橋臂兩個功率開關器件的驅動。

3.IGBT驅動電路的抗干擾技術
 (1)電平鉗位
IR2110不能產生負偏壓,如果用于驅動橋式電路,在半橋電感負載電路下運行,處于關斷狀態下的IGBT由于其反并聯二極管的恢復過程,將承受集電極-發射極聞電壓的急劇上升。此靜態的du/dt通常比IGBT關斷時的上升率高。由于電容密勒效應的影響,此du/dt在集電極-柵極間電容內產生電流,流向柵極驅動電路,如下圖所示。雖然在關斷狀態下柵極電壓UGE為零,由于柵極電路的阻抗(柵極限流電阻RG、引線電感LG),該漏電流使UGE增加,趨向于UGE(th)。最惡劣的情況是使該電壓達到閾值電壓,該IGBT將被開通,導致橋臂短路。文章來源:http://www.igbt8.com/qd/185.html
IR2110驅動輸出阻抗不夠小,沿柵極的灌入電流會在驅動電壓上加上比較嚴重的毛刺干擾。針對IR2110的不足,在實際應用中需對輸出驅動電路進行改進,其改進方法是在柵極限流電阻上反并聯一個二極管,但此方法在大功率下效果不太明顯。對于大功率IGBT,可采用如下圖所示的電路,在關斷期間將柵極驅動電平鉗位到零電平。在橋臂上管開通期間,驅動信號使VT1導通、VT2截止。上管關斷期間,VT1截止,VT.2基極呈高電平而導通,將上管柵極電位拉到低電平(三極管的飽和壓降)。這樣,由于電容密勒效應產生的電流從VT2中流過,柵極驅動波形上的毛刺可以大大減小。下管同理。
 (2)負壓電路
在大功率IGBT驅動電路設計中,各路驅動電源獨立,集成驅動電路一般都有產生負壓的功能,如EXB841系列、M57957系列等,在IGBT關斷期間在柵極上施加負電壓,一般為-5V。其作用也是為了增強IGBT關斷的可靠性,防止由于電容密勒效應而造成IGBT誤導通。IR2110芯片內部雖然沒有產生負壓的功能,但可以通過外加幾個無源器件來實現產生負壓的功能,如下圖所示。在上、下管驅動電路中均加上由電容C5和C6以及5V穩壓管ZD1和ZD2.組成的負壓電路,其工作原理為:電源電壓UCC為20V,在上電期間,電源通過R給C6充電,C6上保持5V的電壓。在LIN端為高電平時,LO端輸出20V高電平,這時加在下管S2柵極上的電壓為20V- 5V=15V,IGBT正常導通。當LIN端輸入低電平時.I.O端輸出為0V,此時S2柵極上的電壓為-5V,從而實現關斷時所需的負壓。對于上管S1,HIN端輸入高電平時,HO端輸出20V電壓,加在S1柵極上的電壓為15V。當HIN端為低電平時,HO端輸出為0V,S1柵極電壓為- 5V。由于IGBT為電壓型IGBT驅動電路件,所以負壓電容C5,C6的電壓波動較小,維持在5V,自舉電容上的電壓也維持在20V左右,只在下管S導通的瞬間有一個短暫的充電過程。IGBT的導通壓降一般小于3V,負壓電容C5的充電在S2導通時完成。對于C5、C6的選擇,要求其容量大于IGBT柵極輸入寄生電容Cies。自舉電容充電電路中的二極管VD1必須是快恢復二極管,應留有足夠的電流裕量。此電路產生負壓的原理與一般的負壓驅動芯片相同,直流母線上疊加了5V的電壓。
(3)自舉電容及柵極限流電阻的選取
自舉電容由一個大電容和一個小電容并聯組成.在頻率為20kHz左右的工作狀態下選用1uF的電容和0.1uF的電容并聯使用。并聯高頻小電容用來吸收高頻毛刺干擾電壓。主電路上管的驅動電壓波形峰頂不應出現下降的現象。驅動大容量的IGBT器件時,在工作頻率較低的情況下要注意自舉電容電壓穩定性問題,故應選用較大容量的電容。
    選擇適當的柵極限流電阻對IGBT驅動來說相當重要,因為lGBT的開通和關斷是通過柵極電路的充放電來實現的,所以柵極電阻將對IGBT的動態特性產生極大的影響。數值較小的柵極電阻使柵極電容的充放電較快,從而減小開關時間和開關損耗。同時較小的柵極電阻增強了IGBT器件的耐固性,避免du/dt帶來的誤導通,但與此同時它只能承受較小的柵極噪聲,并導致柵極發射極之間的電容同驅動電路引線的寄生電感產生振蕩問題。另外,較小的柵極電阻還使得IGBT開通時di/dt變大,會導致較高的du/dt,增加了反向恢復二極管的浪涌電壓。在低頻應用情況下,開關損耗不成為一個重要的考慮因素,柵極電阻增大可以提供較慢的開通速度,這時應當考慮柵極的瞬態電壓和驅動電流。對于不同電流容量的IGBT,其柵極限流電阻有不同的取值。一般是功率越大的IGBT的柵極電阻越小,同時對柵極驅動電路的布線也有嚴格要求,引線電感應盡可能小。在實際應用中應根據具體的情況作調整,選取最合適的值。
  采用IR2110設計IGBT驅動電路時,應根據具體的應用情況采用不同的抗干擾措施。

  4.IR2110的典型應用
  (1) IR2110在Buck變換器中的應用
下圖所示為采用IR2110驅動Buck變換器IGBT器件的電路。對自舉電容的初始充電是由UCC電源通過電感和濾波電容進行的。為了確保自舉電容充電電壓不超過USS(20V),這個LC諧振電路的Q值應潑足夠小。如果Q值不是足夠小,就應在自舉二極管支路中串聯一個電阻或在自舉電容上并聯一個齊納二極管。文章來源:http://www.igbt8.com/qd/185.html
如果電路工作在連續電流模式下,則電源對自舉電容的充電就在續流二極管的導通期間進行。在電流不連續模式下,如果續流二極管的導通時間非常短,電源對自舉電容的充電就通過濾波元件與負載來進行。在上圖所示電路中,luF去耦電容應與11、12和13腳在同一點接地,并與功率部分的接地點分開。
 (2) IR2110在雙正激變換器中的應用
下圖所示為IR2110在雙正激變換器中的應用電路。在這種情況下,由于續流二極管的導通時間變得非常短,故為了確保自舉電容C1開通及在后續周期內充滿電荷,電路中增加了3個元件R1、VT3和VT4。當VT3和V T2截止時,VT4也截止,VT3飽和導通,將電容C1一端對地接通,使C1和C2能很快充電到15V左右,當VT1和VT2導通時,VT4也導通,使VT3截止,從而使電容C1對地一端與VT1的發射極等電位,C1兩端電壓維持在15V不變,C1對地電位舉高,保證VT1柵壓高于發射極電壓,使VT1飽和導通。
    (3)IR2110在三相橋式電機驅動電路中的應用
下圖所示的是IR2110在三相橋式電機驅動電路中的應用電路,在電路設計時要嚴格注意布局設計,這是由于波形中di/dt分量比較大,三組開關工作互為120度。應特別注意,離共地點最遠的IGBT驅動電路會在IR2110的②腳和參考地之間承受最大的電壓降。另外還應注意當無刷直流電機鎖定轉子時,在橋的一臂斷開的情況下長時間工作時,IR2110⑤腳上所出現的不同電壓,此時自舉電容可能會放電,其結果是造成高端功率管在接受信號時并不工作,而低端功率管仍然在工作。為避免這種情況發生,可采取以下措施。
    ①如果電極在某一段時間內不起作用,控制邏輯首先開通低端功率管。
    ②當不需要導通時,控制電路要有一很窄的“正?!闭伎毡?。
    ③如果一電極在有限的和已知的時間內不用,可根據這段時間來選取自舉電容的大小,以維持這段時間的電荷。
    如果橋路是感應電機驅動電路的一部分,可使用PWM技術合成正弦波,每一電極在低頻時以零或非常窄的占空比通過較長的時間間隔,自舉電容應能保持足夠的電荷來確保這段時間內不必充電。
在所示的電路中,高壓母線和邏輯電路之間的絕緣是由IR2110反偏結來保證的,這些結構中如有一個結擊穿,都會對其余部件造成嚴重后果。為了避免發生這樣的問題,可用光電耦合器或脈沖變壓器作為隔離元件。
IR2110在三相橋式電機驅動電路中的應用
(4) IR2110在全橋變換器中的應用
下圖所示為用兩片IR2110驅動的全橋變換器電路。在該電路中,變換器低端與IR2110的關閉端設確電流檢測電路。該電流檢測電路的具體工作方法與變換器所要求的PWM技術、電源精度要求、有無負電源等因素有關。電路的關閉功能是鎖定的,這樣可以保證在負載電流通過IGBT內部二極管衰減后,IGBT仍保持斷開的狀態,鎖定只有在下個周期開始時才能復位。
電路中的寄生電感在開關快速工作時引起的高di/dt在IGBT上會產生過沖電壓,在電源線與功率管間加去耦電容可減小這種不良影響,但在電路布局時最好能緊密排列,減少電路中的寄生電感。這些寄生電感加上續流二極管的正向恢復效應,將引起電源線上電壓的來回擺動(例如US端上的電壓可能會低千COM端的電壓)。U.端上的電壓可低到-4V.這是最低極限,如果超過這個極限,就會引起高端通道工作的不穩定。
IR2110的開通與關斷傳輸延遲時間是接近匹配的(失配時間不大于10ns),開通傳輸延
遲時間比關斷傳輸延遲時間長25ns,這就保證了功率管在工作時不會發生重疊導通,為了更加安全起見,可在功率管的柵極上設置一電阻和二極管網絡(如圖中的R1、VD1、R2、VD2、VD3、R1、VD4),該電阻和二極管網絡可進一步延遲功率管的導通而對其關斷沒有影響,這就相當于增加了死區時間。
IR2110的10腳接低電平,可得到正負半周全占空比輸出。IR2110的2腳懸空或接高電平時為調制脈沖輸出,2腳接低電平時為方波輸出。
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