IR2110在无刷直流电机驱动电路中的应用

引言

美国IR公司的IR2110芯片是一种双通道、栅极驱动、高压高速功率器件的单片式集成驱动模块。由于它具有体积小、成本低、集成度高、响应速度快、偏值电压高、驱动能力强等特点，自推出以来，这种适于功率MOSFET、IGBT驱动的自举式集成电路在电机调速、电源变换等功率驱动领域中获得了广泛的应用。IR2110采用先进的自举电路和电平转换技术，大大简化了逻辑电路对功率器件的控制要求，使得每对MOSFET（上下管）可以共用一片IR2110，并且所有的IR2110可共用一路独立电源。对于典型的6管构成的三相桥式逆变器，可采用3片IR2110驱动3个桥臂，仅需1路10V～20V电源。这样，在工程上大大减少了驱动电路的体积和电源数目，简化了系统结构，提高了系统可靠性。

1、IR2110内部结构及功能特点

IR2110浮置电源采用自举电路，其高端工作电压可达500V，工作频率可达到500kHz，其内部结构如图1所示。它由三个部分组成：逻辑输入，电平平移及输出保护。IR2110采用CMOS工艺制作，逻辑电源电压范围为5V~20V，适应TTL或CMOS逻辑信号输入，具有独立的高端和低端2个输出通道，两路通道均带有滞后欠压锁定功能。由于逻辑信号均通过电平耦合电路连接到各自的通道上，容许逻辑电路参考地（Vss）与功率电路参考地（COM）之间有5V的偏移量，并且能屏蔽小于50ns的脉冲，有较理想的抗噪声效果。

图1  IR2110内部结构图

IR2110的自举电路特别适合于各种桥式驱动电路，其典型应用如图2所示。引脚3（VCC）和6（VB）分别是低端电源电压和高端浮置电源电压，引脚2（COM）是低端电源公共端，引脚5（Vs）是高端浮置电源公共端，引脚9（VDD）是逻辑电路电源电压，引脚13（Vss）是逻辑电路接地端，引脚11（SD）是输入信号关闭端。VCC为10V~20V功率管门极驱动电源，由于VSS可与COM连接，则VCC与VDD可共用同一个典型值为+15V的电源。

图2  IR2110典型应用电路

当输入逻辑信号HIN/LIN=1时，输出信号HO/LO=1，控制MOSFET导通;当HIN/LIN=0时，HO/LO=0，控制MOSFET关断，其SD输入可以用来闭锁这二路驱动。如果这两路驱动电压小于8.3V，输出信号会因欠压而被片内封锁。输出栅极驱动电压的范围为10V~20V，其电平典型转换时间为：Ton=120ns，Toff=94ns。死区时间的典型值为10ns，内置的死区电路可以防止由于MOS器件关断延时造成的直臂导通现象，提高了系统的可靠性。

2、无刷直流电机驱动电路

永磁无刷直流电机是随着高性能永磁材料、电机控制技术和电力电子技术的发展而出现的一种新型电机，它既具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便、寿命长等优点，又具备直流电机运行效率高、无励磁损耗及调速性能好等诸多优点，而且还具有功率密度高，低转速，大转矩的特点。它的应用已从初的军事工业，向航空航天、医疗、信息、家电以及工业自动化等领域迅速发展。

图3是由IR2110组成的无刷直流电机驱动电路原理图（单桥臂）。此驱动电路采用以3片IR2110为中心的6个N沟道的MOSFET管组成的三相全桥逆变电路，仅对上桥臂功率MOSFET管进行PWM调制的控制方式。其输入是以功率地为地的PWM波，送到IR2110的输入端口，输出控制N沟道的功率驱动管MOSFET的开关，由此驱动无刷直流电动机。

图3  无刷直流电机功率驱动电路

3、自举器件的选用

无刷直流电机功率驱动电路中下桥臂三路功率管靠Vcc（+15V）经IR2110芯片内部MOS管控制开通，上桥臂三路功率管的栅极驱动电源是通过自举电容充电储能实现的。如图3，C1和D1分别为自举电容和二极管，C2为Vcc的滤波电容。假定在Q1关断期间C1已充到足够的电压（Vc1Vcc）。当脚10（HIN）为高电平时，Vc1加到Q1的栅极和源极之间，C1通过Rg1和Q1栅极-源极电容Cge1放电，Cge1被充电，此时Vc1可等效为一个电压源。当脚10（HIN）为低电平时，Q1栅电荷经Rg1、Dg1、Rx1等迅速释放，Q1关断。经短暂的死区时间（td）之后，另一路IR2110控制Q2开通，Vcc经D1、Q2给C1充电，迅速为C1补充能量，如此循环反复实现自举式驱动。

如果C1经负载充电缓慢，在HIN=1时自举电容C1的电压仍充电不到自举电压8.3V以上时，输出驱动信号会因欠压被片内逻辑封锁，Q1就无法工作，因此自举电容的选择十分重要，选择不当易造成芯片损坏或不能正常工作。自举电容的容量取决于被驱动的功率MOSFET管开关频率、导通和关断占空比以及栅极充电电流的需要。由于此无刷直流电机驱动电路在工作的任意一时刻下桥臂均有一功率MOSFET管导通，而且系统采用的是上桥臂PWM调制方式，因此，驱动电路中的自举电容充电时间比提供驱动电源的时间长，自举电容充电较容易，故可以选择较大容值，此驱动电路选择1uF的电解电容。

电路中二极管D1的功能是防止Q1导通时过高电压反串入Vcc端损坏该芯片。与IR2110供电电源连接的二极管D1，其反向耐压必须大于被驱动的功率MOSFET管工作的峰值母线电压，为了防止自举电容两端的放电，二极管要选用高频的快恢复二极管，此电路选用FR107，它的反向恢复时间为500ns，反向耐压1000V。

IR2110的开通与关断传输延迟时间基本匹配，开通传输延迟时间比关断传输延迟时间长25ns，这保证了同一桥臂的功率管在工作时不会发生同时导通，从而避免了直通故障的发生。为了进一步提高安全性，使功率管\慢开快关\，在功率管的栅极分别串联上电阻Rg和二极管Dg。IR2110的驱动脉冲上升沿取决于Rg，Rg值不能过大以免使其驱动脉冲的上升沿不陡，但也不能过小使驱动均值电流过大而损坏IR2110。

4、结论

本文设计了基于功率驱动芯片IR2110的无刷直流电机功率驱动电路，并对相关器件进行了选型设计，本电路具有结构简单、稳定可靠的特点。经在某试验样机上验证表明，此电路实现方案是有效可行的。