基于IR2110的H桥可逆PWM驱动电路应用

目前，可逆H全桥PWM直流电机控制系统主要采用功率MOSFET、IGBT管作为开关管，而开关管的驱动电路通常采用集成驱动电路，将微机的PWM控制信号转换成同步高压驱动信号。IR2110芯片是一种H半桥（独立一桥臂双通道）、栅极驱动、高压、高速单片式专用功率器件集成驱动电路，2片IR2110就能构成H全桥功率MOS－FET管可逆PWM他励直流控制系统主控回路。IR2110芯片高端悬浮通道采用外部自举电容产生悬浮电压源VBS，与低端通道共用一个外接驱动电源VCC，兼有光耦隔离和电磁隔离的优点，配置所有高压引脚在芯片一侧、独立的逻辑地和功率地，使芯片结构紧固可靠。

1、IR2110H桥典型驱动电路

基于2片IR2110的H桥4片MOSFET管直流电机典型驱动电路如图1所示。当VT1、VT4导通时，电机正转；当VT2、VT3导通时，电机反转；当VT2、VT4导通时，电机两极与地短接，电机刹车能耗制动。

图1  基于IR2110的H桥直流电机典型驱动电路

C24，C30是自举电容，D4，D12是自举快恢复二极管，防止VT1、VT3导通时高电压串入VCC端损坏该芯片。C27、C31是功率电源VCC的滤波电容，C100、C103是逻辑电源VDD的滤波电容。R172，R181是自举电容C24，C30充电回路的限流自举电阻，防止电容过充、VS出现低于地电位的情况发生。

电阻R13，R23，R31，R37是IR2110输出通道到MOSFET管栅极间的限流电阻，取值为几十Ω，防止栅极电流DI／DT过大损坏MOSFET管。C23，C26，C29，C32是滤波电容，与电阻R13，R23，R31，R37组成RC低通滤波电路，对IR2110输出信号进行低通滤波。

功率场效应管IRF3205的栅－源极电压容限为±20V，而IR2110内部没有连接于栅极的限压元件，MOSFET漏极产生的浪涌电压会通过漏栅极之间的米勒电容耦合到栅极上击穿栅极的氧化层，所以在MOS管栅－源极之间加分压电阻和稳压二极管来箝位栅－源极电压，同时保护IR2110不被MOS管短路高压窜入损坏。稳压二极管D6，D10，D14，D18稳压在18V左右，电阻R14，R24，R35、R35对IR2110输出信号分压，有效降低栅极电压。

D5，D8，D13，D16是在IR2110发出关断信号时，给功率场效应管从导通状态切换到关断状态提供一个快速释放电荷通道的快恢复二极管。由于IR2110的导通传播延时典型值为120ｎS，关断传播延时典型值为94ｎS，仅仅相差26ｎS，快恢复二极管可进一步加快功率MOSFET的关断时间有利于增强桥臂开关管先关断后导通死区周期，防止同一臂上下两个功率场效应管同时导通短路烧毁。电阻R173，R174，R182，R183用于限制功率场效应管释放电流，防止大电流损坏IR2110［8］，取值为几Ω。D82，D83，D88，D89是用来钳位功率MOS－FET管开关过程中漏源极浪涌电压的稳压二极管。

2、IR2110自举电路原理

IR2110的自举电路是一种简约型高端浮动供电模式，满足一般PWM控制需要。结合图1的U9，介绍IR2110自举电路的工作原理。当VT1截止，VT4导通期间，将A点（VS）的电位拉低到地，＋15V（VCC）通过自举电阻（R172）和自举二级管（D4）给自举电容（C24）充电，通过电容C24在VB和VS之间形成一个悬浮电源，作为IR2110的上通道（高端）逻辑电源，维持IR2110高端输出引脚VH输出正常电平，为上桥臂主开关器件VT1提供栅极驱动电压。正是由于自举电容的存在，使IR2110控制同一桥臂上、下主开关器件的驱动电路只需一个外接电源。

当VT1导通时，C24放电以维持高端导通。当C24电荷没有充满，或者电容充满但高端持续工作时间较长，导致电容放电过度，IR2110高端悬浮电源VB的内部欠压检测保护逻辑就会动作，将VH拉为低电平，使驱动电路无法正常工作。IR2110的内部结构图清楚反映了低端电源VCC和高端悬浮电源VB的欠电压检测电路结构，如图2所示。

图2 IR2110内部结构框图

3、自举电路参数计算

3．1、自举电容估算

自举电容必须能提供不低于MOSFET管栅极电荷导通所需的电荷，并且在高端主开关器件开通期间保持其电压。工程估算公式如下：

其中：QG－MOSFET管门极电荷（可由MOS－FET手册中查到）；VCC－充电电源电压；VLS－下半桥MOSFET导通栅源阈值电压，一般为2－4V；VMIｎ－VB和VS之间的最小电压（可由IR2110手册中查到，VBSUVMIｎ＝7．4V）；VF－自举快恢复二极管的正向管压降，一般为1．5V。

当采用MOSFET管IRF3205构成H桥可逆PWM驱动电路时，功率电源＝15V。查IRF3205．PDF，QG＝146ｎC。查IR2110．PDF，VMIｎ＝7．4V。代入式（1）得：

工程上，再保留一定的余量，取估算值的2－3倍。CBS＝0．1μF。

3．2、自举电阻估算

自举电阻RBS应满足：CBSRBS＞T（2）

查IR2110数据手册得T＝10ｎS。

工程上，再取估算值的2倍左右，RBS＝3．3Ω。

3．3、自举二极管

自举二极管用于防止上桥MOS管导通时母线高压反窜入VCC端损坏IR2110芯片。反向耐压必须大于母线高压峰值［4］，电流必须大于栅极电荷与开关频率之积，即

I＞F×QG（3）

通常选用漏电流小的快恢复二极管，反向恢复时间应小于IR2110导通传播延时典型值120ｎS。若设PWM频率F＝10ｋHｚ，IRF3205的栅极QG＝146ｎC，则自举二极管的正向电流

I＞F×QG＝10×103×146×10－9＝1．46MA

4、实验结果

在图1基础上，用TMS320LF2407A为控制器对他励直流电机进行空载启动与减速制动控制试验。电机的铭牌参数如下：Vｎ＝24V，Iｎ＝62A，ｎE＝26000R／MIｎ［10］。主开关器件为功率MOS－FETIRF3205。PWM恒定频率为10ｋHｚ，通过调节PWM的占空比调节他励直流电机的电枢电压，实现软启动与减速制动。

DSP的电机启动PWM程序初始化设定占空比从10％开始，每隔20MS，检测电枢电流ID，若ID超过2IE（IE电枢额定电流），则立即减小CM－PR1，即减小占空比，实施过流保护。若没有超过，CMPR1增加一个步距，一般设定为T1PR周期计数值的0．2％－0．5％左右。所谓带载突跳式启动，保证启动电磁转矩大于负载转矩，但又保证启动电流不超过2倍额定电流（2IE）的逐渐上升软启动。DSP的电机减速制动PWM程序是逐渐减少占空比，直到为0。图3（A）所示为软启动占空比达到30％时IR2110驱动的输出的波形；图3（B）所示为软启动结束占空比达到90％时IR2110驱动的输出波形。

5、结论

功率MOSFET管集成驱动电路IR2110的自举电路简化了H桥高端悬浮电源配置问题，同时对自举电路的参数优化设计提出一定要求，对PWM控制频率也有一定限制。通过分析IR2110的特性和驱动MOSFET的应用特点，介绍了IR2110的自举电路优化设计、MOSFET的保护电路等。在基于TMS320LDF2407A为控制器、IR2110为驱动器的他励直流电机H桥PWM调速系统上实验表明：IR2110能有效控制功率MOS－FET管实现他励直流电机的软启动和减速制动以及过流保护。