IR2132驅(qū)動(dòng)器及其在三相逆變器中的應(yīng)用

摘 要:提出了IR2132驅(qū)動(dòng)器在三相逆變器中的應(yīng)用。采用數(shù)字信號(hào)處理器對(duì)電源系統(tǒng)進(jìn)行全數(shù)字控制，通過(guò)改變PWM波形的脈沖寬度和調(diào)制周期可以達(dá)到調(diào)壓和變頻的目的。采用功率MOSFET和IGBT專用驅(qū)動(dòng)芯片IR2132驅(qū)動(dòng)三相橋式逆變電路。 介紹了IR2132驅(qū)動(dòng)電路的特點(diǎn)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理和基于IR2132構(gòu)成的三相逆變電路結(jié)構(gòu)，并提出了一種新型實(shí)用的預(yù)制相位PWM數(shù)字控制方案，取代了傳統(tǒng)的模擬驅(qū)動(dòng)電路和模塊化橋臂電路設(shè)計(jì)，降低了開(kāi)發(fā)成本，并融合了多元化的保護(hù)功能使逆變電源系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路變得簡(jiǎn)單可靠。

關(guān)鍵詞:逆變器; IGBT; SPWM; 功率開(kāi)關(guān)

中圖分類號(hào):TM13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

文章編號(hào):1004-373X(2010)13-0051-03

IR2132 Drive and Its Application in Three-phase Inverter

BAI Xiang-dong

(Sh

nxi of Electronic Technology Research Institute， Xi’an 710004， China)

Abstract: The application of IR2132 drives in three-phase inverters is proposed， in which the fully digital control over the power supply systems is performed by digital signal processors， the variation of the voltage and frequency is achieved by changing the pulse width of PWM waveform and modulation period， and the three-phase bridge inverter circuit is drived by the aid of power MOSFET and IGBT dedicated driving chip IR2132. The IR2132 drive circuit characteristics， internal structure， working principle and the three-phase inverter circuit structure based on IR2132 are introduced. A new scheme of practical pre-phase PWM digital control is proposed， which replaces the traditional analog drive circuit and the modularization bridge arm circuit， reduces the development cost， and makes the drive circuits of inverting power-supply systems with the incorporation of diversification protection functions simple and reliable.

Keywords: inverter; IGBT; SPWM; power switch

0 引 言

逆變器已廣泛用于交流電氣傳動(dòng)、UPS等許多技術(shù)領(lǐng)域中，其主電路開(kāi)關(guān)器件常采用IGBT或MOSFET等全控型器件，該類器件的開(kāi)關(guān)動(dòng)作需要靠獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，并要求驅(qū)動(dòng)電路的供電電源彼此隔離(如單相橋式逆變主電路需3組獨(dú)立電源，三相橋式逆變主電路需4組獨(dú)立電源)[1-2]，這無(wú)疑增加輔助電源的設(shè)計(jì)困難和成本，同時(shí)也使驅(qū)動(dòng)電路變得復(fù)雜，降低了逆變器的可靠性。采用如EXB840等專用厚膜集成驅(qū)動(dòng)電路芯片雖然可以簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，但每個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片仍需要一個(gè)隔離的供電電源，且每個(gè)芯片僅可驅(qū)動(dòng)一個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件，應(yīng)用仍有不便[3-5]。而美國(guó)國(guó)際整流器公司生產(chǎn)的專用驅(qū)動(dòng)芯片IR2132只需1個(gè)供電電源即可驅(qū)動(dòng)三相橋式逆變電路的6個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件，可以使整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路變得簡(jiǎn)單可靠[6]。

1 IR2132驅(qū)動(dòng)芯片的特點(diǎn)

IR2132可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)工作在母線電壓不高于600 V的電路中的功率MOS門(mén)器件，其可輸出的最大正向峰值驅(qū)動(dòng)電流為250 mA，而反向峰值驅(qū)動(dòng)電流為500 mA。它內(nèi)部設(shè)計(jì)有過(guò)流、過(guò)壓及欠壓保護(hù)、封鎖和指示網(wǎng)絡(luò)，使用戶可方便地用來(lái)保護(hù)被驅(qū)動(dòng)的MOS門(mén)功率管，加之內(nèi)部自舉技術(shù)的巧妙運(yùn)用使其可以用于高壓系統(tǒng)，它還可以對(duì)同一橋臂上下兩個(gè)功率器件的門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生08 μs互鎖延時(shí)時(shí)間。它自身工作和電源電壓的范圍較寬(3～20 V)，在它的內(nèi)部還設(shè)計(jì)有與被驅(qū)動(dòng)的功率器件所通過(guò)的電流成線性關(guān)系的電流放大器，電路設(shè)計(jì)還保證了內(nèi)部的3個(gè)通道的高壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器和低壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器可單獨(dú)使用，亦可只用其內(nèi)部的3個(gè)低壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器，并且輸入信號(hào)與TTL及CMOS電平兼容。IR2132管腳如圖1所示。

VB1～VB3是懸浮電源接地端，通過(guò)自舉電容為3個(gè)上橋臂功率管的驅(qū)動(dòng)器提供內(nèi)部懸浮電源，VS1～VS3是其對(duì)應(yīng)的懸浮電源地端。

圖1 IR2132引腳圖

HIN1～HIN3，LIN1～LIN3是逆變器上橋臂和下橋臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端，低電平有效。

ITRIP是過(guò)流信號(hào)檢測(cè)輸入端，可通過(guò)輸入電流信號(hào)來(lái)完成過(guò)流或直通保護(hù)。

CA-，CA0，VSO是內(nèi)部放大器的反相端、輸出端和同相端，可用來(lái)完成電流信號(hào)檢測(cè)。

HO1～HO3，LO1～LO3是逆變器上下橋臂功率開(kāi)關(guān)器件驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端。

FAULT是過(guò)流、直通短路、過(guò)壓、欠壓保護(hù)輸出端，該端提供一個(gè)故障保護(hù)的指示信號(hào)。它在芯片內(nèi)部是漏極開(kāi)路輸出端，低電平有效。

VCC，VSS是芯片供電電源連接端，VCC接正電源，而VSS接電源地。

2 IR2132內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其工作原理

IR2132的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，它的內(nèi)部集成有1個(gè)電流比較器(Current Comparator)、1個(gè)電流放大器(Current Amp)、1個(gè)自身工作電源欠電壓檢測(cè)器(Under Voltage Detector)、1個(gè)故障處理單元(Fault Logic)及1個(gè)清除封鎖邏輯單元(Clear Logic)。除上述外，它內(nèi)部還集成有3個(gè)輸入信號(hào)處理器(Input Signal

Generator)、2個(gè)

脈沖處理和電平移位器(Pulse Generator Level Shifter)、3個(gè)上橋臂側(cè)功率管驅(qū)動(dòng)信號(hào)鎖存器(Latch)、3個(gè)上橋臂側(cè)功率管驅(qū)動(dòng)信號(hào)與欠壓檢測(cè)器(Under Voltage Detector)及6個(gè)低輸出阻抗MOS功率管驅(qū)動(dòng)器(Driver)和1個(gè)或門(mén)電路。

正常工作時(shí)，輸入的6路驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)輸入信號(hào)處理器處理后變?yōu)?路輸出脈沖，驅(qū)動(dòng)下橋臂功率管的信號(hào)L1～L3經(jīng)輸出驅(qū)動(dòng)器功放后，直接送往被驅(qū)動(dòng)功率器件。而驅(qū)動(dòng)上橋臂功率管的信號(hào)H1～H3先經(jīng)集成于IR2132內(nèi)部的3個(gè)脈沖處理器和電平移位器中的自舉電路進(jìn)行電位變換，變?yōu)?路電位懸浮的驅(qū)動(dòng)脈沖，再經(jīng)對(duì)應(yīng)的3路輸出鎖存器鎖存并經(jīng)嚴(yán)格的驅(qū)動(dòng)脈沖與否檢驗(yàn)之后，送到輸出驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行功放后才加到被驅(qū)動(dòng)的功率管。一旦外電流發(fā)生過(guò)流或直通，即電流檢測(cè)單元送來(lái)的信號(hào)高于0.5 V時(shí)，則IR2132內(nèi)部的電流比較器迅速翻轉(zhuǎn)，促使故障邏輯單元輸出低電平，一則封鎖3路輸入脈沖信號(hào)處理器的輸出，使IR2132的輸出全為低電平，保護(hù)功率管;同時(shí)IR2132的FAULT腳給出故障指示。同樣，若發(fā)生IR2132的工作電源欠壓，則欠壓檢測(cè)器迅速翻轉(zhuǎn)，也會(huì)進(jìn)行類似動(dòng)作。發(fā)生故障后，IR2132內(nèi)的故障邏輯單元的輸出將保持故障閉鎖狀態(tài)。直到故障清除后，在信號(hào)輸入端LIN1～LIN3同時(shí)被輸入高電平，才可以解除故障閉鎖狀態(tài)。

IR2132驅(qū)動(dòng)上橋臂功率管的自舉電源電壓不足時(shí)，則該電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)檢測(cè)器迅速動(dòng)作，封鎖該路輸出，避免功率器件因驅(qū)動(dòng)信號(hào)不足而損壞。當(dāng)逆變器同一橋臂上2個(gè)功率器件的輸入信號(hào)同時(shí)為高電平，則IR2132輸出的2路門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)全為低電平，從而可靠地避免橋臂直通現(xiàn)象發(fā)生。

圖2 IR2132內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

3 采用IR2132的逆變器電路結(jié)構(gòu)

3.1 控制電路

采用了一種新型的預(yù)制相位PWM波的數(shù)字控制方案，逆變器6個(gè)開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)同某一調(diào)制比的SPWM脈沖相對(duì)應(yīng)，其出發(fā)點(diǎn)是由一片EPROM來(lái)存儲(chǔ)這6個(gè)開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，預(yù)置于EPROM內(nèi)的由多種方式產(chǎn)生，常見(jiàn)的是先計(jì)算出來(lái)，對(duì)應(yīng)于不同的基波頻率，按一定規(guī)律算出相對(duì)應(yīng)的脈寬，再轉(zhuǎn)換成數(shù)值，存儲(chǔ)在EPROM內(nèi)[7]，EPROM的輸出與IR2132的HIN1～HIN3，LIN1～LIN3相連接。同一橋臂開(kāi)關(guān)管之間相位互差120°，同橋臂上下開(kāi)關(guān)互補(bǔ)導(dǎo)通且有死區(qū)。其SPWM波生成電路原理如圖3所示。

圖3 SPWM波生成電路原理圖

3.2 驅(qū)動(dòng)電路

采用IR2132芯片驅(qū)動(dòng)逆變器功率管時(shí)，其基本主電路不需改變，仍可用典型的三相電壓型逆變電路[8]，為便于表示，圖4中畫(huà)出了IR2132驅(qū)動(dòng)中1個(gè)橋臂的電路示意圖。圖中C1是自舉電容，為上橋臂功率管驅(qū)動(dòng)的懸浮電源存儲(chǔ)能量，VD1的作用是防止上橋臂導(dǎo)通時(shí)的直流電壓母線電壓加到IR2132的電源上而使器件損壞，因此VD1應(yīng)有足夠的反向耐壓，當(dāng)然由于VD1與C1串聯(lián)，為了滿足主電路功率管開(kāi)關(guān)頻率的要求，VD1應(yīng)選快速恢復(fù)二極管。R1和R2是IGBT的門(mén)極驅(qū)動(dòng)電阻，一般可采用10到幾十歐姆。R3和R4組成過(guò)流檢測(cè)電路，其中R3是過(guò)流取樣電阻，R4是作為分壓用的可調(diào)電阻[9-10]。IR2132的HIN1～HIN3，LIN1～LIN3作為功率管的輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)與SPWM波生成電路的EPROM連接。其容量取決于被驅(qū)動(dòng)功率

器件的開(kāi)關(guān)頻率、占空比以及充電回路電阻，必須保證電容充電到足夠的電壓，而放電時(shí)其兩端電壓不低于欠電壓保護(hù)動(dòng)作值，當(dāng)被驅(qū)動(dòng)的開(kāi)關(guān)頻率大于5 kHz時(shí)，該電容值不小于01 μF，且以瓷片電容為好。

圖4 IR2132與功率管的連接方式

4 結(jié) 語(yǔ)

采用IR2132器件實(shí)現(xiàn)單芯片電源供電的三相逆變器的驅(qū)動(dòng)，只要合理地選擇浮充電容，驅(qū)動(dòng)電路工作十分可靠，它不僅使電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性提高，而且可以可靠地實(shí)現(xiàn)短路、過(guò)流、欠壓和過(guò)壓等故障保護(hù)。

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