IR2110在开关磁阻电机调速系统中的应用

苏瑜田， 董学平， 徐霄翔

（合肥工业大学 电气与自动化工程学院，安徽 合肥 230009）

驱动绝缘栅双极晶体管IGBT或场效应管MOSFET，需要专门的驱动模块，常见的有EXB841系列、M57962等，但其只能驱动单个功率管，且每路驱动都要一组辅助电源，这就使系统结构变得复杂。IR2110是美国国际整流器公司于20世纪90年代研制的大功率开关管专用驱动集成电路，现已在很多领域获得广泛的应用，如开关电源半桥变换器、直流无刷电机的桥式驱动电路、步进电机及逆变器的驱动电路等［1－2］。该器件是双通道高压、高速功率器件栅极驱动，对于8管构成的8／6极开关磁阻电机功率变换电路，采用4片IR2110驱动4个桥臂，仅需1路10～20V的电源，这样在实际应用中简化了电路结构，有利于提高系统的稳定性。

1 IR2110模块简介

图1所示为IR2110结构框图，其内部有1个逻辑信号输入级及2个独立的、分别以高压、低压为基准的输出通道，主要构成如下：3个独立的施密特触发器、2个RS触发器、2个／电平转换器、1个脉冲放大环节、1个脉冲滤波环节、1个高压电平转换网络及2个或非门、6个MOS场效应晶体管、1个具有反相输出的与非门、1个反相器和1个逻辑网络等。该器件的逻辑电源电压范围为10～20V，逻辑电源地与功率地之间最大偏移量可有±5V，工作频率可高达500kHz，上桥臂通道可承受500V的高压，上管采用外部自举电容上电，使得驱动电源数比其他驱动模块大大减少［3－4］。

图1 IR2110内部结构框图

2 在开关磁阻电机中的应用

2.1 自举原理

图2所示为IR2110的典型外围自举电路。假设换相期间，电源通过自举二级管D1给自举电容C1充电，充电回路为－D1－C1－负载线圈L1－Q2－电源地。当某一相开通时，若此时HIN输出为高，自举电容C1在上一次换相期间已经完成充电，使得在VB和VS之间形成一个悬浮电源，给上端功率管Q1供电；当HIN输出为低，栅极电容通过栅源电阻R2放电并可将Q1关断。自举电路的存在使同一桥臂上下功率管驱动电路只需1路外接电源。

实践表明，自举电容对自举电路的正常工作起着至关重要的作用。自举电容的容量取决于功率管斩波频率、栅极电荷及栅源极漏电流等的需要。上述自举电路若要正常工作，首先要设计好该电容值，保证该值能为自举电容提供最小电荷量，即

其中，Qg为功率管栅极电荷；为每个工作周期内电路的转移电荷（IR2110为5nC）；为静止电流为自举电容漏电流；f为功率管工作频率。

图2 典型自举电路

为保证自举电容在斩波期间能给功率管提供足够的导通电压且有一定的裕量，电容常取值如下：

其中，Vf为自举二极管正向压降为功率管压降为VB和VS之间的最小电压［5］。本试验中功率管选用型号为IRG4BC20KD的IGBT，其栅极电荷Qg＝134nC＝20V，工作频率f＝1kHz。通过计算可得C1≥0.32μF，可选容值为0.56μF的陶瓷电容。在上管Q1开通时，自举二极管应能阻断直流干线上的高压，同时能够快速恢复以减少自举电容向VC回馈电荷，初步可定为快恢复二极管，其参数选择标准为：反向耐压值大于主电路电压；反向最大恢复时间大约为400ns；所承受电流为栅极电荷与开关频率之积。本文选择FR107，其＝1 000V，If＝1A＝500ns。

2.2 改进型自举回路

对于开关磁阻电机，由于绕线电感的存在，所以要在功率管关断瞬间为负载线圈提供续流回路。在典型自举电路中，自举电容通过线圈形成充电回路，电容不断地充放电，加上功率管不断地斩波，无形中增加了线圈两端续流管的工作量，加快其升温。本试验添加了新型自举回路，即为图3中由场效应管Q3与二极管D5组成的回路。改进型自举回路特点如下：

（1）采用1路带有场效应管的回路取代线圈充当自举回路；LO输出控制场效应管Q3通断。

（2）去掉下管IGBT，进行单管斩波，图3中该位置已用导线直通，使得线圈下端直接与电源地相连。

当LO输出为高，Q3开通并且将VS电位拉低，由于线圈处于工作状态而存在端电压，电容可经该场效应管回路进行充电，图4为典型电路与改进型电路中自举电容C1充电路径简化示意图。由图可见，改进型电路中电容的充电不经过负载线圈，从而减轻线圈两端续流管的工作量。本文中二极管D5选用高速开关二极管IN4148，其反向恢复时间为＝75ns；三极管Q3选用开关型场效应管IRF710，耐压值＝400V。

图3 改进型自举回路

图4 两种电路自举电容充电回路简化图

3 试验运行与结果

本试验8／6极开关磁阻电机参数如下：额定电压UN＝68V，额定电流IN＝5A，额定转速N＝1 200r／min。本试验采用电压斩波控制方式，即让功率管工作在脉冲宽度调制（PWM）方式：脉冲周期T固定，通过调节PWM波的占空比，来调整加在线圈绕组两端电压的平均值，进而改变绕组电流的大小，实现对转速的调节。试验分为以下2种工作情况。

（1）HO与LO交替斩波。在某一相开通期间，让HO与LO进行交替斩波，图5所示为HIN、LIN输入端波形。当HO输出为高、LO输出为低，上管Q1进行斩波，此时自举电容相当于电压源，给栅极电容充电并使Q1导通；当HO输出为低、LO输出为高，Q1关闭，场效应管Q3导通，VS被拉低并充当充电回路，为自举电容充电。图6所示为当电机正常工作时Q1的栅源波形，此时占空比为40%，转速为519r／min。

图5 输入端HIN、LIN的交替波形

图6 上管栅源波形

（2）HO斩波，LO直通。电机工作于此方式，仅当换相期间将LO拉高，如图7中下端直线所示。LO输出为高，管Q3导通并拉低VS电位，使得自举电容在换相期间快速充电，当HO输出为高即上管开始斩波时，自举电容为上管提供开启电压。这种工作方式要保证电容每次充电电压能够达到上管开启电压且能维持至本次斩波结束。试验中当自举电容容值选为0.1μF时，由于充电电压不够，上管并未有效开通，电机也就不能运转（图5～图7均由型号为TDS1012B的示波器获取）。

图7 上管斩波、下管直通

为了突出试验效果，本文还对相关参数做了比较。表1为典型电路与改进型电路（方式2）中当占空比分别为20%、40%、60%，80%时电机空载转动噪音的对比结果。表2所列为电机正常运转0.5、1.0、1.5、2.0h后测得的电机本体和续流管温度变化的对比结果。

实验结果表明，相比于典型电路，改进型电路用场效应管代替下管大功率IGBT，成本下降且便于控制；此外改进型电路采用单管斩波，电磁噪音较小，电机主体与续流管发热也较为缓慢；相比于方式1，方式2在每个工作周期内，由于减少了场效应管开关次数，使得其升温速度比方式1缓慢。

表1 电机空载运行时2种电路噪音对比 dB

表2 2种电路下电机／续流管温度对比 ℃

4 结束语

IR2110带有自举回路，可以大大简化驱动电路的设计，其快速完整的保护功能可以提高控制系统的可靠性。试验表明，通过改进型自举回路，一方面可以很好地解决续流管和电机本身升温快等问题，另一方面又可以简化电路结构，增强系统的稳定性。此外若设计好尖峰吸收与过流欠压等保护电路，该改进型开关磁阻电机完全可以运用到空调室外机或电动车等设备当中［6－8］。

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