Interlock互鎖電路在不同驅動器下的實現

在電機驅動、逆變電源等應用中，橋式電路是最基本的拓撲，典型三相橋式逆變電路如下圖1所示。而橋式電路中的任一橋臂，其上下管一般采用180°導通方式，即上下管互補開關，為避免上下管直通，可采用插入死區的方式把上下管導通時刻錯開。但是，實際應用中微控制器可能因為程序錯亂或上電過程中IO默認高電平等原因，使得上下管驅動信號同時為高電平（有效電平），從而上下管發生同時導通（Shoot Through），這將可能帶來燒壞功率模塊的嚴重后果。Interlock即互鎖電路就是針對該工況而設計的，可有效提高系統可靠性。

圖1 三相橋式電路

約定HI，LI為高邊、低邊輸入驅動信號，HO、LO為高邊、低邊輸出驅動信號，有效信號均為高電平?；ユi邏輯為一旦HI、LI同時為高，HO、LO就會同時輸出低電平，真值表如下：

表1 互鎖真值表

由于實際應用中，針對不同的應用、不同的功率器件，會選用不同的驅動器，如光耦驅動器、半橋驅動器以及集成驅動的IPM等等，對應的互鎖電路實現也不盡相同，因此這里針對這三種常見的驅動器總結相對應的互鎖電路。

1. 光耦（兼容）驅動器

光耦驅動器是十分經典的驅動器件，支持雙電源隔離驅動的特性使其常用于IGBT的驅動上。TI的UCC23513是典型的光耦兼容驅動器，其輸入級為電子二極管，模擬傳統光耦的二極管輸入。該類輸入為典型“差分”輸入級，即輸出狀態取決于兩個輸入引腳（ANODE和CATHODE）的壓差，這種輸入級的互鎖電路比較容易實現，如下電路所示，可以使用一級緩沖器比如SN74ACT244實現互鎖功能。

圖2 光耦驅動器互鎖電路

具體的電路參數設計以及波形測試可以參考TIDA-010025和《Interlocking gate drivers for improving the robustness of three-phase inverters》，這里不再贅述。這種設計也適用于其他傳統的光耦驅動器或是具有“差分”輸入級的驅動器，如下左圖為ISO5451引腳分布圖，其輸入引腳為正反相邏輯輸入，同樣可以應用上述電路，如下右圖所示。

圖3 (左)ISO5451引腳分布        （右）ISO5451互鎖電路

2. 半橋驅動器

半橋驅動器常用于MOSFET非隔離的驅動，LM5109B是一款典型的半橋驅動器，其框圖如下：

圖4 半橋驅動器

由于半橋驅動器的輸入級是單端輸入，無法采用光耦驅動器的互鎖電路。對于單端輸入，互鎖電路可以利用反向器、緩沖器以及與門實現，框圖如下：

圖5 邏輯門互鎖電路

容易驗證，上述組合電路滿足互鎖真值表，下圖為利用SN74ACT244（緩沖器）、SN74ACT240（反相器）和SN74ACT08組成的互鎖電路，電路由PSpice for TI搭建。

圖6 邏輯門互鎖電路實現

利用PSpice for TI進行時序電路仿真，仿真結果如下圖，波形從上到下依次為HI/LI/HO/LO，可見仿真結果與分析相符。

圖7 邏輯門互鎖電路仿真結果

實際使用中，如果使用上述分立器件搭建互鎖電路，則需要占用較多的PCB面積，也額外增加了器件數量及成本。為此，德州儀器也提供了集成互鎖的半橋驅動器，LM5108是其中的一款，其框圖如下：

圖8 集成互鎖的LM5108框圖

可見，LM5108內部同樣利用與門實現了互鎖邏輯，大大簡化了外圍設計。

3. IPM集成功率模塊

在家電、中小功率變頻或伺服的場合，IPM集成功率模塊廣為應用，一款IPM的框圖如下：

圖9 IPM典型框圖

IPM與半橋驅動器一樣都是單端輸入，區別在于IPM常與光耦或數字隔離器組成隔離驅動級，因此，當采用光耦作為隔離器件時，可直接采用上述第一種光耦驅動器互鎖電路。而當采用數字隔離器作為隔離器件時，則需要在數字隔離器后加一級分立互鎖電路，如下圖所示：

圖10 數字隔離器分立互鎖電路

針對這類工況，為簡化設計，德州儀器新推出了集成互鎖通道的ISO6760L，除了具有5kV等級增強型絕緣的優秀隔離性能，內部還集成了三對互鎖隔離通道， 非常適合IPM的隔離驅動場合，典型應用框圖如下：

圖11集成互鎖的ISO6760L應用框圖

本文針對橋式電路在不同驅動器下的互鎖電路實現進行了討論，包括光耦驅動器、半橋驅動器以及IPM集成功率模塊等常見驅動器件。在實際應用中可根據不同驅動器類型選擇對應的互鎖電路，針對半橋驅動器以及IPM，可使用德州儀器集成互鎖功能的半橋驅動和數字隔離器ISO6760L進行簡化設計。