IR2110驱动MOS IGBT组成H桥原理与驱动电路分析

IR2110驱动MOS IGBT组成H桥原理与驱动电路分析 3.3 电机驱动模块设计

3.3.1 H桥工作原理及驱动分析

3.3.2 前级PWM信号和方向控制信号逻辑处理电路设计分析

由于H桥控制MOS管的开关需要4路控制信号，对于由NMOS管组成H桥的一侧而言，一般情况下，上下两管共用一个控制信号，并且其中一只NMOS管的控制信号是将共用的控制信号反向得到的，如图3-7所示，74HC14的作用是将输入的控制信号反向作为下管的控制信号，从而保证上下两个MOS管不会同时导通,那么对于一个完整的H桥就要2路PWM信号来控制电机的速度和正反转，而且两路PWM信号还必须保证同步且极性相反，对于低端单片机而言这一点不是很容易做到。

图3-7 一般控制信号处理原理图

本设计在上面所述的思想上做了改进和延伸，通过一路PWM信号、一路DIR方向控制信号、74HC00、74HC08数字芯片，实现四路控制信号的输出，上下两管的逻辑控制信号具有有互锁保护功能，从而保证同侧桥臂的上下NMOS管不会同时导通造成能量浪费甚至烧毁MOS管和电源。如图3-8所示，HIN1、LIN1、HIN2、LIN2分别为两侧上下管的控制信号，HIN1、LIN1不能同时为1，HIN2、LIN2不能同时为1。DIR=1时，电机正转，DIR=0时，电机反转。当DIR=1正转时，LIN2恒为1，图3-9中Q3始终导通，HIN1、LIN1通过PWM 控制导通时间调节转速，当DIR=0反转时，LIN1恒为1，图3-9中Q4始终导通，HIN2、LIN2通过PWM控制导通时间调节转速。DIR=0或1，两桥臂下管始终导通，这也为自举电容的快速充电提增加了一条回路，也就是说不管是正转还是反转，当上管关闭时两侧下管可同时提供充电回路，而不是单侧的下管，因为电机阻抗的存在，起主要充电作用的还是单侧的下管。当PWMZ占空比为0时，LIN1、LIN2都为1时，两侧下管同时导通将电机两端接地，这样可以实现电机快速制动。当DIR=1时，HIN、LIN控制信号仿真图和实际波形分别如图3-10和图3-11所示。

图3-8 前级信号处理电路 图3-9 NMOS管组成的H桥

图3-10 控制信号仿真波形 图3-11 示波器实测控制信号HIN 和LIN

3.3.3 IR2110介绍及悬浮驱动电路设计分析

IR2110是美国IR 推出的大功率MOSFET 和IGBT 专用驱动集成电路, 已在电源变换、马达调速等功率驱动领域中获得了广泛的应用。该电路芯片体积小,集成度高,响应快,偏值电压高,驱动能力强,内设欠压封锁,而且其成本低,易于调试, 并设有外部保护封锁端口。尤其是上管驱动采用外部自举电容上电,使得驱动电源数目较其他驱动IC 大大减小。对于4管构成的H 桥电路,采用2片IR 2110 驱动2 个桥臂,仅需要一路10-20 V 电源。

如图3-12所示为一侧桥臂悬浮自举电路，两侧对称电路见附录。C13为自举电容，当低压输出端打开（LIN=1）、高压输出端关闭（HIN=0）时，低压侧12V 电源电压经D3、C13、负载、Q4和另一侧Q3给C13充电，当低压输出端关闭（LIN=0）、高压输出端打开（HIN=1）时，Q2管的栅极靠C13上足够的储能来驱动，从而在逻辑信号的控制下循环

往复，从而实现NMOS管的悬浮自举驱动。若负载阻抗较大，自举电容经负载降压充电较慢，使得Q4关断、Q2开通时，自举电容上的电压仍充电达不到自举电压8．3V以上时，输出驱动信号会因欠压被逻辑封锁，Q2就无法正常工作。所以，要么选用小容量电容，以提高充电电压；要么为自举电容提供快速充电通路。由于Q4每开关一次，C13就通过Q4充电一次，因此自举电容C13的充电还与输入信号HIN、LIN的PWM脉冲频率和占空比有关，当PWM工作频率过低时，若Q2导通脉宽较窄，自举电压8．3V容易满足；反之无法实现自举。因此要合理设置PWM开关频率和占空比调节范围，并且PWM的占空比不能达到100%，否则无法给自举电容充电，也就无法自举驱动。通过实验自举电容和自举二极管的选择应考虑以下几点[2]：

(1) 自举电容的选择与PWM的频率有关，频率高，自举电容应该选择小一点的；

(2) 自举电容的种类最好是钽电容，本设计选用的是1uF的钽电容和一只0.1uF的独石电容并联；

(3)尽量使自举回路上不经过大阻抗负载，这样就要为自举电容充电提供快速充电通路；

(4)对于占空比调节较大的场合，特别是在高占空比时，Q4开通时间较短，自举电容应该选择小点的；

（5）自举二极管能阻断直流干线上的高压，二极管承受的电流是栅极电荷与开关频率之积。为了减少电荷损失，应选用漏电流小的快恢复二极管(高频)，本设计选用的是IN4148。

由于驱动器和MOSFET 栅极之间的引线、地回路的引线等所产生的电感, 以及IC 和FET 内部的寄生电感,在开启时会在MOSFET 栅极出现振铃现象,一方面增加MOSFET 的开关损耗,同时EMC 方面不好控制。在MOSFET的栅极和驱动IC的输出之间串联一个电阻,如图3-12中R6、R8，这个电阻称为“栅极电阻”,其作用是调节MOSFET 的开关速度,减少栅极出现的振铃现象,减小EMI,也可以对栅极电容充放电起限流作用。该电阻的引入减慢了MOS管的开关速度, 但却能减少EMI,使栅极稳定.同时MOS管的关断时间要比开启时间慢(开启充电,关断放电),因此就要改变 MOS管的关断速度,可以在栅极电阻上反向并联一个二极管，如图3-12中D5、D7,当MOS管关断时,二极管导通,将栅极电阻短路从而减少放电时间, 使MOS管实现快速放电，确保上下桥臂MOS管不会同时导通[1]。

因电机是感性负载,在H 桥的输出端、正极到电机外壳、负极到电机外壳分别接一个0.1uF的小电容，可以起到换向时消除火花的作用保护电机。同时在局部供电部分加

一个去藕电容以保证电源稳定，如图3-12中C7。

驱动模块在设计时除考虑到做电机驱动用，还可以扩展应用为直流数控电源，如图3-12所示，做电机驱动时电感L1用导线短接，C15、C17、R10、R11空缺不管，当做直流数控电源电感L1 、C15、C17组成LC滤波电路，对脉冲信号进行滤波，同时电感L1还起着续流储能作用，R10、R11构成反馈回路，将实时电压信号反馈给MCU，MCU再控制PWM信号的输出，这样可以实现闭环的数控电源。

图3-12 H桥一侧悬浮驱动原理图

3.4 系统电源电路设计分析

本系统所需的电源有5V、12V、16V，其中5V用于单片机、液晶、驱动芯片，12V 用于IR2110S驱动芯片的低端电源电压，16V是电机驱动电源，整个系统采用16V供电。5V和12V分别采用78M05和78M12三端稳压芯片经过16V稳压提供。78MXX三端稳压集成芯片芯片采用TO-252 DPAK封装 ，最大输出电流500mA，满足系统要求。78MXX最大输入电压35V，具有过流过热短路保护功能。由于5V由16V稳压得到，压差较大△

U=16-5=11V，假如系统5V电源输出电流I≈300mA，将会导致大量的能量浪费，△P=△U*I≈3.3W,所以为降低能量损耗，保护稳压芯片延长使用寿命，本设计将驱动电路5V 电源和单片机及LCD显示部分5V电源分开，分别用一片78M05供电，同时取消LCD背光功能，以减小电流降低功耗。电源模块电路原理图如图3-13所示。

图3-13 电源模块原理图