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IR2181S驱动芯片在全桥电路中应用设计和注意事项
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
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