引言

美國IR公司的IR2110芯片是一種雙通道、柵極驅動、高壓高速功率器件的單片式集成驅動模塊。由于它具有體積小、成本低、集成度高、響應速度快、偏值電壓高、驅動能力強等特點，自推出以來，這種適于功率MOSFET、IGBT驅動的自舉式集成電路在電機調速、電源變換等功率驅動領域中獲得了廣泛的應用。IR2110采用先進的自舉電路和電平轉換技術，大大簡化了邏輯電路對功率器件的控制要求，使得每對MOSFET（上下管）可以共用一片IR2110，并且所有的IR2110可共用一路獨立電源。對于典型的6管構成的三相橋式逆變器，可采用3片IR2110驅動3個橋臂，僅需1路10V～20V電源。這樣，在工程上大大減少了驅動電路的體積和電源數目，簡化了系統結構，提高了系統可靠性。

1、IR2110內部結構及功能特點

IR2110浮置電源采用自舉電路，其高端工作電壓可達500V，工作頻率可達到500kHz，其內部結構如圖1所示。它由三個部分組成：邏輯輸入，電平平移及輸出保護。IR2110采用CMOS工藝制作，邏輯電源電壓范圍為5V~20V，適應TTL或CMOS邏輯信號輸入，具有獨立的高端和低端2個輸出通道，兩路通道均帶有滯后欠壓鎖定功能。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5V的偏移量，并且能屏蔽小于50ns的脈沖，有較理想的抗噪聲效果。

圖1 ?IR2110內部結構圖

IR2110的自舉電路特別適合于各種橋式驅動電路，其典型應用如圖2所示。引腳3（VCC）和6（VB）分別是低端電源電壓和高端浮置電源電壓，引腳2（COM）是低端電源公共端，引腳5（Vs）是高端浮置電源公共端，引腳9（VDD）是邏輯電路電源電壓，引腳13（Vss）是邏輯電路接地端，引腳11（SD）是輸入信號關閉端。VCC為10V~20V功率管門極驅動電源，由于VSS可與COM連接，則VCC與VDD可共用同一個典型值為+15V的電源。

圖2 ?IR2110典型應用電路

當輸入邏輯信號HIN/LIN=1時，輸出信號HO/LO=1，控制MOSFET導通;當HIN/LIN=0時，HO/LO=0，控制MOSFET關斷，其SD輸入可以用來閉鎖這二路驅動。如果這兩路驅動電壓小于8.3V，輸出信號會因欠壓而被片內封鎖。輸出柵極驅動電壓的范圍為10V~20V，其電平典型轉換時間為：Ton=120ns，Toff=94ns。死區時間的典型值為10ns，內置的死區電路可以防止由于MOS器件關斷延時造成的直臂導通現象，提高了系統的可靠性。

2、無刷直流電機驅動電路

永磁無刷直流電機是隨著高性能永磁材料、電機控制技術和電力電子技術的發展而出現的一種新型電機，它既具有交流電機結構簡單、運行可靠、維護方便、壽命長等優點，又具備直流電機運行效率高、無勵磁損耗及調速性能好等諸多優點，而且還具有功率密度高，低轉速，大轉矩的特點。它的應用已從最初的軍事工業，向航空航天、醫療、信息、家電以及工業自動化等領域迅速發展。

圖3是由IR2110組成的無刷直流電機驅動電路原理圖（單橋臂）。此驅動電路采用以3片IR2110為中心的6個N溝道的MOSFET管組成的三相全橋逆變電路，僅對上橋臂功率MOSFET管進行PWM調制的控制方式。其輸入是以功率地為地的PWM波，送到IR2110的輸入端口，輸出控制N溝道的功率驅動管MOSFET的開關，由此驅動無刷直流電動機。

圖3 ?無刷直流電機功率驅動電路

3、自舉器件的選用

無刷直流電機功率驅動電路中下橋臂三路功率管靠Vcc（+15V）經IR2110芯片內部MOS管控制開通，上橋臂三路功率管的柵極驅動電源是通過自舉電容充電儲能實現的。如圖3，C1和D1分別為自舉電容和二極管，C2為Vcc的濾波電容。假定在Q1關斷期間C1已充到足夠的電壓（Vc1Vcc）。當腳10（HIN）為高電平時，Vc1加到Q1的柵極和源極之間，C1通過Rg1和Q1柵極-源極電容Cge1放電，Cge1被充電，此時Vc1可等效為一個電壓源。當腳10（HIN）為低電平時，Q1柵電荷經Rg1、Dg1、Rx1等迅速釋放，Q1關斷。經短暫的死區時間（td）之后，另一路IR2110控制Q2開通，Vcc經D1、Q2給C1充電，迅速為C1補充能量，如此循環反復實現自舉式驅動。

如果C1經負載充電緩慢，在HIN=1時自舉電容C1的電壓仍充電不到自舉電壓8.3V以上時，輸出驅動信號會因欠壓被片內邏輯封鎖，Q1就無法工作，因此自舉電容的選擇十分重要，選擇不當易造成芯片損壞或不能正常工作。自舉電容的容量取決于被驅動的功率MOSFET管開關頻率、導通和關斷占空比以及柵極充電電流的需要。由于此無刷直流電機驅動電路在工作的任意一時刻下橋臂均有一功率MOSFET管導通，而且系統采用的是上橋臂PWM調制方式，因此，驅動電路中的自舉電容充電時間比提供驅動電源的時間長，自舉電容充電較容易，故可以選擇較大容值，此驅動電路選擇1uF的電解電容。

電路中二極管D1的功能是防止Q1導通時過高電壓反串入Vcc端損壞該芯片。與IR2110供電電源連接的二極管D1，其反向耐壓必須大于被驅動的功率MOSFET管工作的峰值母線電壓，為了防止自舉電容兩端的放電，二極管要選用高頻的快恢復二極管，此電路選用FR107，它的最大反向恢復時間為500ns，最大反向耐壓1000V。

IR2110的開通與關斷傳輸延遲時間基本匹配，開通傳輸延遲時間比關斷傳輸延遲時間長25ns，這保證了同一橋臂的功率管在工作時不會發生同時導通，從而避免了直通故障的發生。為了進一步提高安全性，使功率管\慢開快關\，在功率管的柵極分別串聯上電阻Rg和二極管Dg。IR2110的驅動脈沖上升沿取決于Rg，Rg值不能過大以免使其驅動脈沖的上升沿不陡，但也不能過小使驅動均值電流過大而損壞IR2110。

4、結論

本文設計了基于功率驅動芯片IR2110的無刷直流電機功率驅動電路，并對相關器件進行了選型設計，本電路具有結構簡單、穩定可靠的特點。經在某試驗樣機上驗證表明，此電路實現方案是有效可行的。

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