摘要:三相全橋技術具有應用廣泛,控制方便,電路簡單等特點,因此,廣泛應用於逆變電源,變頻技術,電力電子等相關領域,但其功率MOSFET以及相關的驅動電路的設計直接與電路的可靠性緊密相關,如MOSFET的驅動電路設計不當,MOSFET很容易損壞,因此本文主要分析和研究了成熟驅動控制芯片IR2181S組成的電路,並設計了具體的電路,爲提高MOSFET的可靠性作一些研究,以便能夠爲設計人員在設計產品時作一些參考。
關鍵詞:IR2181S驅動芯片;MOSFET;全橋電路;自舉電路設計;吸收電路
IR2181S的結構和驅動電路設計
IR2181S是IR公司研發的一款專用驅動芯片電其內部結構參考圖1:主要由:低端功率晶體驅動管,高端功率晶體驅動管,電平轉換器,輸入邏輯電路等組成。
IR2181S優點是可靠性高,外圍電路簡單。它驅動的MOSFET高壓側電壓可以達到600V,最大輸出電流可達到1.9A(高端)2.3A(低端)。
具體設計電路時如將MOSFET或IGBT作爲高壓側開關(漏極直接接在高壓母線上)需在應用的時候需要注意以下幾點:
(1)柵極電壓一定要比漏極電壓高10-15V,作爲高壓側開關時,柵極電壓是系統中電壓最高的。
(2)柵極電壓從邏輯上看必須是可控制的,低壓側一般是以地爲參考點的,但在高端是就必須轉換成高壓側的源極電位,相當於將柵極驅動的地懸浮在源極上,所以在實際應用中柵極控制電壓是在母線電壓之間浮動的。
(3)柵極驅動電路吸收的功率不會顯著影響整個電路的效率。
圖2是以IR2181S驅動芯片設計的三相全橋電路:
圖2中應用到三個IR2181S驅動芯片每路驅動一組橋臂,提供高端和低端兩路驅動信號(HO*,LO*),以第一路橋臂爲例(其它同理):IR2181S輸入是由DSP或其他專用驅動信號發生芯片產生的高端和低端兩路驅動信號,經過2181輸出同樣也爲兩路,但經過2181內部處理後輸出的信號和輸入控制信號完全隔離,輸出電流可以達到2A,上圖中IR218S低端輸出(LO1)驅動下管的`信號是以直流母線側負端爲參考點,輸出信號幅值大概在15V左右滿足MOSFET開通要求。高端輸出是以U1爲參考基準,電位浮在母線上,當上端開通時IR2181S透過自舉電路(C4,C5)將電壓舉升到柵極開啓電壓值。其電壓值約爲:
UG=U母線 15V
上述電路中(以Q2爲例)電容C4,C5和自舉二極管組成的泵電路,其中自舉電容和自舉二極管等參數都是要經過精密計算的,其工作原理和計算方法如下:
(1)工作原理:當電路工作時Vs被拉倒地(輸出接負載) 15V透過二極管給自舉電容C4,C5充電也因此給Vs一個工作電壓滿足了電路工作。
(2)參數設計:計算電容參數時應考慮到以下幾點,
①MGT柵極電荷;
②高壓側柵極靜態電流;
③2181內部電平轉換電路電流;
④MGT G和S之間的電流。(備註:因自舉電路一般選擇非電解電容設計時電容漏電流可以忽略。)
此公式給出了對自舉電容電荷的最小要求;
Q=2Qg Iqbs/f Qls Icbs/f
注:Qg爲高端MOSFET柵極電荷。
f爲系統工作頻率。
Icbs爲自舉電容漏電流(本電路爲非電解電容可忽略不計)。
Qls爲每個週期內電平轉換電路對電荷的要求。(500/600V IC爲5nc 1200V IC爲20nc)。
Iqbs爲高端驅動電路靜態電流。
上述計算的電荷量是保證芯片正常工作的前提條件,只有保證自舉電容能提供足夠的電荷和穩定的電壓纔不會使Vbs產生大的紋波IR2181S內部才能正常工作。爲了減小紋波我們一般增加自舉電容的電荷量,一般爲計算值的2-3倍,其電容值應爲:
C