基于IR21844的电机驱动控制系统的设计

      引 言

　　电动机应用的日益广泛，使其驱动控制的研究也越来越成为人们研究的热点。随着功率VMOS器件以及绝缘栅双极晶体管(IGBT)器件的广泛运用，更多场合使用VMOS器件或IGBT器件组成桥式电路，例如开关电源半桥变换器或全桥变换器、直流无刷电机的桥式驱动电路、步进电机驱动电路，以及逆变器的逆变电路。IR(Inter—national Rectifier)公司提供了多种桥式驱动集成电路芯片，本文介绍了IR21844功率驱动集成芯片在直流无刷电机的桥式驱动电路中的应用。该芯片是一种双通道、栅极驱动、高压高速功率器件的单片式集成驱动模块，在芯片中采用了高度集成的电平转换技术，大大简化了逻辑电路对功率器件的控制要求，同时提高了驱动电路的可靠性。尤其是上管采用外部自举电容上电，使得驱动电源数目较其他IC驱动大大减少。对于典型的6管构成的三相桥式逆变器，采用3片IR21844驱动3个桥臂，仅需1路10～20 V电源。这样，在工程上大大减少了控制变压器的体积和电源数目，降低了产品成本，提高了系统可靠性。

　　1 IR21844主要特点及技术参数

　　IR21844集成驱动芯片与目前应用的集成驱动芯片相比，具有以下特点：

• 　　该芯片为标准14引脚单片式结构，图1为其引脚分布图；
• 　　设有悬浮截获电源可自举运行，其高端工作电压最高达600 V，抗du／dt干扰能力为50 V／ns，15 V时静态功耗为1．6 W；
• 　　输出栅极驱动电压范围较宽，为10～20 V；
• 　　IR21844采用CMOS工艺制作，逻辑电路和功率电路共用一个电源，电压范围为10～20 V，适应TTL或CMOS逻辑信号输入；
• 　　采用CMOS施密特触发输入，以提高电路抗干扰能力；
• 　　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；
• 　　容许逻辑电路参考地(VSS)与功率电路参考地(COM)之间有一5～+5 V的偏移量；
• 　　死区时间可调。

　　图1中，引脚1(IN)是逻辑输入控制端；引脚6和12是2路独立的输出，分别是L0(低端输出)和H0(高端输出)；引脚7和13分别是VCC(低端电源电压)和VB(高端浮置电源电压)；引脚5(COM)是低端电源公共端；引脚11和3分别是VS(高端浮置电源公共端)和VSS(逻辑电路接地端)；引脚2(SD)是输出关闭控制端；引脚4(DT)是可调的死区时间输入端。

　　其推荐典型工作参数如表1所列，动态传输延迟时间参数如表2所列。

 

　　2 典型应用电路

　　图2为IR21844的典型应用电路。Vcc接电源端，为逻辑部件和功率器件供电；IN端接输入控制信号，一般接PWM信号；输出端HO和LO的波形分别与IN端输入波形逻辑相同和相反，幅值有一定的放大(10～20 V)，输入／输出时序图如图3所示；SD端接低电平时，H0和LO正常输出，接高电平时，2个输出端被封锁；DT为死区时间调整端，因为桥式电路同一桥路的上下管不能同时导通，否则会造成管子短路，因此需要一个死区时间。由于H0和LO的输出逻辑相反，所以从逻辑上来说，不会造成直通，但是在换向的瞬间仍有可能造成直通。可在DT端外接一个电阻Rdt，通过调整该电阻的阻值就可以调节死区时间；同时，开通延时时间为680 ns，大于关断延时时间的270 ns，从而避免桥路的直通，死区时间典型值为5μs(如表2所列)。

 

 

　　图2中，C2为自举电容。在T2导通、T1关断期间，VCC经D1、C1、负载、T2给C1充电，以确保当T2关断、T1导通时，T1管的栅极靠Cl上足够的储能来驱动。这就是高端的自举供电。若负载阻抗较大，C2经负载降压充电较慢，使得T2关断、T1导通，C2上的电压仍充电不到自举电压8．3 V以上，那么输出驱动信号会因欠压被片内逻辑封锁，T1就无法正常工作。为此，C2的选择就显得很重要，一般用1个大电容和1个小电容并联使用，在频率为20 kHz左右的工作状态下，选用1．0μF和0．1μF电容并联。并联高频小电容用来吸收高频毛刺干扰电压。驱动大容量的IGBT时，在工作频率较低的情况下，要注意自举电容电压稳定性问题，上管的驱动波形峰顶如果出现下降的现象，则要选取大的电容。

显然每个周期T1开关一次，C2就通过T2开关充电一次，因此自举电容C2的充电还与输入信号IN的PWM脉冲频率和脉冲宽度有关。当PWM工作频率过低时，若T1导通脉宽较窄，自举电压8．3 V容易满足；反之，无法实现自举。因此，要合理设置PWM开关频率和占空比调节范围，C2的容量选择考虑如下几点：

　　①PWM开关频率高，C2应选小电容。

　　②尽量使自举上电回路不经大阻抗负载，否则应为C2充电提供快速充电通路。

　　③对于占空比调节较大的场合，特别是在高占空比时，T2导通时间较短，C2应选小电容。否则，在有限时间内无法达到自举电压。

　　④C2的选择应综合考虑PWM变化的各种情况，监测H()、VS脚波形进行调试是最好的方法。

　　根据表1，VB高于VS电压的最大值为20 V，为了避免VB过电压损坏IR21844，电路中增加了稳压二极管D1。电路中D2的功能是防止T1导通时高电压串入VCC端损坏该芯片，因此其耐压值必须高于总线峰值电压，故采用功耗小的快恢复二极管。与VCC端相连的电容C3是去耦电容，用于补偿电源线的电感。

　　3 场效应管驱动电路的改进

　　如图2所示，典型应用电路是由IR21844驱动2个N沟道MOSFET管或IGBT组成的半桥驱动电路。固定的栅极参考输出通道(L0)用于下端连接的功率场效应管T2，浮动的栅极输出通道(HO)用于上端连接的功率场效应管T1。

　　以驱动N沟道MOSFET管为例来介绍。功率MOS—FET是电压型驱动器件，没有少数载流子的存储效应，输入阻抗高，因而开关速度可以很高，驱动功率小，电路简单。但功率MOSFET的极间电容较大，其等效电路如图4所示。

　　输入电容Ciss、输出电容Coss和反馈电容Crss与极间电容的关系可表示为：

　　IR21844不能产生负偏压，如果用于驱动桥式电路，由于极间电容的存在，在开通和关断时刻，栅漏极间的电容CGD有充放电电流，容易在栅极上产生干扰。针对这一不足，可以在栅极限流电阻(R1和R2)上分别反并联一个二极管(D3和D4)来解决，该二极管可以加快极间电容上的电荷的放电速度。

　　功率器件的栅源极的驱动电压一般为CM()S电平(5～20 V)，因此要在栅极增加保护电路。电路中稳压二极管D5、D6限制了所加栅极电压，电阻R1、R2进行分压，同时也降低了栅极电压。

　　功率器件T1、T2在开关过程中会产生浪涌电压，这些浪涌电压会损坏元件，所以电路中采用稳压二极管D5、D6钳位浪涌电压。

　　4 扩展与总结

　　以上介绍的是IR21844用于驱动单相电路时的用法和注意事项，同样，该芯片完全可以用于驱动两相、三相或者多相电路。可将该电路进行复制，当然一些参数的确定还需要按照本文的分析和具体的实际情况而定。

　　由于该芯片只有一路输入，两路互补输出，非常适合用于驱动桥式电路；并且它的死区时间可以灵活调节，输出锁定端可以灵活用于电流的闭环控制，给控制的没计带来了很大的方便，因此在中小型功率领域应用比较广泛。