IR2304半橋驅動集成電路的功能原理及應用

關鍵詞：半橋驅動集成電路；IR2304；三相橋式逆變器

１ ＩＲ２３０４的功能特點

ＩＲ２３０４是國際整流器公司（ＩＲ）新推出的多功能６００Ｖ高端及低端驅動集成電路，這種適于功率ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ驅動的自舉式集成電路在照明鎮流器、電源及電機等功率驅動領域中將獲得廣泛的應用。ＩＲ２３０４的性能特點如下：

（１）芯片體積小（ＤＩＰ８），集成度高（可同時驅動同一橋臂的上、下兩只開關器件）；

（２）動態響應快。典型通斷延遲時間２２０／２２０ｎｓ、內部死區時間１００ｎｓ、匹配延遲時間５０ｎｓ；

（３）驅動能力強，可驅動６００Ｖ主電路系統。具有６０ｍＡ／１３０ｍＡ輸出驅動能力，柵極驅動輸入電壓寬達１０～２０Ｖ；

（４）工作頻率高。可支持１００ｋＨｚ或以下的高頻開關，可與ＩＲＦ８３０或ＩＲＦＢＣ３０等較小巧的ＭＯＳＦＥＴ或ＩＧＢＴ配合使用；

（５）輸入輸出同相設計。提供高端和低端獨立控制驅動輸出，可通過兩個兼容３．３Ｖ、５Ｖ和１５Ｖ輸入邏輯的獨立ＣＭＯＳ或ＬＳＴＴＬ輸入來控制，為設計帶來了很大的靈活性；

（６）低功耗設計，堅固耐用且防噪效能高。ＩＲ２３０４采用高壓集成電路技術，整合設計既降低成本和簡化電路，又降低設計風險和節省電路板的空間。相比于其它分立式、脈沖變壓器及光耦解決方案，ＩＲ２３０４更能節省組件數量和空間，并提高可靠性；

（７）具有電源欠壓保護和關斷邏輯。ＩＲ２３０４有兩個非倒相輸入及交叉傳導保護功能，整合了專為驅動電機的半橋ＭＯＳＦＥＴ或ＩＧＢＴ電路而設的保護功能。當電源電壓降至４．７Ｖ以下時，欠壓鎖定 ?ＵＶＬＯ? 功能會立即關掉兩個輸出，以防止穿通電流及器件故障。當電源電壓大于５Ｖ時則會釋放輸出 ?綜合滯后一般為０．３Ｖ?。過壓（ＨＶＩＣ）及防閉鎖ＣＭＯＳ技術使ＩＲ２３０４非常堅固耐用。

另外，ＩＲ２３０４還配備有大脈沖電流緩沖級，可將交叉傳導減至最低；同時采用具有下拉功能的施密特（Ｓｃｈｍｉｔｔ） 觸發式輸入設計，可有效隔絕噪音，以防止器件意外開通。

ＩＲ２３０４采用８腳ＤＩＰ或ＳＯＩＣ封裝，其引腳排列如圖１所示。該芯片與其它同類產品的特性比較見表１，從表１可看出ＩＲ２３０４比同類其它產品特性更優越，集成度更高。

ＩＲ２３０４各引腳的功能及推薦工作參數如表２所列。

表1 IR2106/2301/2108/2109/2302/2304特性比較

表2 IR2304推薦的工作參數

２　ＩＲ２３０４的工作原理

ＩＲ２３０４的典型接線如圖２所示，圖中ＶＣＣ為１０～２５Ｖ功率管門極驅動電源，可用ＴＴＬ或ＣＭＯＳ邏輯信號作為輸入，因此ＶＣＣ可用一個典型值為＋１５Ｖ的電源。Ｃ２為自舉電容，當ＶＴ１關斷、ＶＴ２開通時，ＶＣＣ經ＶＤ、Ｃ２、負載、ＶＴ２給Ｃ２充電，以確保ＶＴ２關斷、ＶＴ１開通時，ＶＴ１管的柵極靠Ｃ２上足夠的儲能來驅動，從而實現自舉式驅動。若負載阻抗較大，Ｃ２經負載降壓充電較慢，使得當ＶＴ２關斷、ＶＴ１開通時Ｃ２上的電壓仍不能充電至自舉電壓８．２Ｖ以上時，輸出驅動信號會因欠壓被片內邏輯封鎖，ＶＴ１就無法正常工作。每個周期ＶＴ１開關一次，Ｃ２就通過開關ＶＴ２充電一次。因此，Ｃ２的容量選擇應考慮如下幾點：

（１）Ｃ２應為高穩定、低串聯電感、高頻率特性的優質電容，容量為０．１～１μＦ。

（２）盡量使自舉上電回路不經大阻抗負載，否則應為Ｃ２充電提供快速充電通路。

（３）ＰＷＭ開關頻率較高時，Ｃ２應選小。當ＰＷＭ工作頻率較低時，若占空比較高，則ＶＴ１開通時間較長，ＶＴ２開通時間較短，因此Ｃ２應選小；若占空比較低，ＶＴ１導通脈寬較窄，則ＶＴ２導通脈寬較寬，自舉電壓容易滿足。否則，在有限時間內無法達到自舉電壓，從而造成欠壓保護電路工作。因此，Ｃ２的選擇應綜合考慮ＰＷＭ變化的各種情況，最好在調試時監測ＨＯ、ＶＳ腳的波形。

３ 三相橋式逆變電路

由ＩＲ２３０４組成的三相橋式逆變器的硬件結構如圖３所示。對于由六個功率元件構成的三相橋式逆變器來說，采用三片ＩＲ２３０４驅動三個橋臂是中小型功率變換的理想選擇。

該逆變電路中的主電路可將直流電壓（＋ＤＣ）逆變為三相交流輸出電壓?Ｕ、Ｖ、Ｗ?。該直流電壓（＋ＤＣ）來自三相橋式整流電路，逆變電路功率元件應選用耐壓為１０００Ｖ的ＩＧＢＴ元件。

逆變器中的驅動電路使用的就是１０００Ｖ的ＩＲ２３０４。由于三相逆變器每個周期總有一個上下管導通，故上管自舉電容容易充電，三個上管自舉電路可有序工作。但ＩＲ２３０４使用不當，尤其是自舉電容選擇不好，易導致芯片損壞或不能正常工作。電容Ｃ１、Ｃ２和Ｃ３分別為三路高端輸出的供電電源的自舉電容。單電源＋１５Ｖ供電電壓經二極管隔離后又分別作為其三路高端驅動輸出的供電電源，這樣一來大大減小了控制變壓器體積并減少了電源數目，從而降低了產品成本，提高了系統可靠性。

通過電路中的ＰＷＭ控制器可為逆變器提供六路控制信號。一些模擬電路或數字電路的ＰＷＭ的產生都通過專用芯片來實現，如三相ＰＷＭ發生器ＳＡ８２８２。為了提高ＰＷＭ的輸出質量和可靠性，以高性能單片機和數字信號處理（ＤＳＰ）等為控制核心來構成整個系統。如德州儀器ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０ｘＤＳＰ內部自帶的事件管理器模塊專門用來產生ＰＷＭ。它們大部分是在１６位單片機或ＤＳＰ的基礎上增加部分特殊的控制功能來構成專用的集成電路，應用在各種開關電源、交直流電機調速系統中。以ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０ｘＤＳＰ為核心的典型數字控制電機變壓變頻調速系統原理框圖如圖４所示。實驗和調試結果表明，利用ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７ＤＳＰ事件管理器模塊的波形發生器輸出的方波可簡化系統的軟硬件開發，同時其ＰＷＭ波形的質量和可靠性也很好。

４　注意事項

用ＩＲ２３０４設計逆變器時，應注意以下幾點：

（１）當自舉電壓不容易滿足要求時，可以取掉ＶＤ，直接給ＶＢ、ＶＳ加另一個１０～２５Ｖ隔離電源，但這一作法沒有充分利用ＩＲ２３０４應有的資源和特點。對于全橋型逆變器，無需經過負載充電，這種形式的自舉工作僅是Ｃ２選擇問題。

（２）若使用自舉技術產生ＶＢ時，則接于引腳Ｖｃｃ與ＶＢ間的二極管ＶＤ應為超快恢復二極管，其反向耐壓要大于６００Ｖ。

（３）芯片中的輸入控制邏輯電路還為同一橋臂的高端和低端提供了死區時間，以避免同一橋臂上被驅動功率元件在開關轉換過渡期間同時導通。

（４）驅動電路輸出串接電阻阻值一般應在 １０～３３Ω，而對于小功率器件，串接電阻應該增加到３０～５０Ω。

（５）驅動電路與被驅動功率器件的距離應盡可能短，連接線應盡可能使用雙絞線或同軸電纜屏蔽線。

（６）可使用高頻高速光耦合器件，如６Ｎ１３６、４Ｎ２５等將控制部分（圖３中的ＰＷＭ控制器）與由ＩＲ２３０４構成的驅動電路隔離，使控制電路的邏輯地和驅動電路的邏輯地相互獨立，以此來增強系統的抗干擾能力。

（７）在具體應用電路設計中可根據實際需要靈活變更外圍電路，以滿足使用需求。