一種三相功率驅(qū)動(dòng)電路

中國(guó)兵器工業(yè)第214研究所 李金寶 李貴嬌 尹宏程

在傳統(tǒng)的三相橋式電路中，主電路功率開(kāi)關(guān)器件常采用IGBT或MOSFET等全控型器件，應(yīng)用分立器件來(lái)構(gòu)成門極驅(qū)動(dòng)電路是至今常用的方法之一。由于分立元件的溫度漂移性，版圖排列的分布參數(shù)等問(wèn)題難以很好解決，加之每一個(gè)MOS門功率器件需一個(gè)門極驅(qū)動(dòng)電路，多功率MOS門器件系統(tǒng)應(yīng)用這種驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜而龐大，使應(yīng)用受到了極大限制。構(gòu)成MOS門功率器件驅(qū)動(dòng)電路的另一個(gè)有效辦法是采用目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上可買到的集成電路芯片——如IR2110、EXB840等等，這些器件的優(yōu)點(diǎn)在于簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，但每一個(gè)芯片仍需一到兩個(gè)懸浮電源，且每片電路僅可驅(qū)動(dòng)一到兩只MOS門功率器件，對(duì)三相全橋功率電路，驅(qū)動(dòng)電路獨(dú)立電源數(shù)較多，應(yīng)用仍有不便。本文介紹一種基于IR2130的三相橋式功率驅(qū)動(dòng)電路。IR2130內(nèi)部設(shè)有自舉式懸浮電路，只需要一個(gè)供電電源即可驅(qū)動(dòng)三相橋式電路的六個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)極為簡(jiǎn)化。

1 電路原理

本三相功率驅(qū)動(dòng)電路由方波發(fā)生器、時(shí)序控制器及三相功率驅(qū)動(dòng)電路組成。其中，方波發(fā)生器由石英晶體振蕩器和CD4060B計(jì)數(shù)器組成，時(shí)序控制器由三路D觸發(fā)器和三輸入與門組成，三相功率驅(qū)動(dòng)電路由功率驅(qū)動(dòng)器IR2130及六個(gè)功率管輸出電路組成。電路工作過(guò)程如下：方波發(fā)生器發(fā)出頻率2.4kHz，低電平0V，高電平5V的方波信號(hào)，作為時(shí)序控制器的時(shí)鐘信號(hào)。時(shí)序控制器產(chǎn)生頻率400Hz，相位差為120°的三路方波信號(hào)，輸入到功率驅(qū)動(dòng)器IR2130。IR2130接收到此信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行譯碼，產(chǎn)生三相上、下橋臂六路驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，六路驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)經(jīng)過(guò)外圍電阻，施加到六個(gè)開(kāi)關(guān)管上，使其產(chǎn)生三相功率驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 方波發(fā)生器設(shè)計(jì)

方波由CD4060B產(chǎn)生，CD4060B是一個(gè)分頻計(jì)，輸出頻率與輸入頻率關(guān)系如下：f(Qn)＝f(CKI)/2n，當(dāng)n＝12時(shí)，f(Q12)＝f(CKI)/212＝9.8304MHz/212＝2.4kHz。

輸出的CLK時(shí)鐘信號(hào)是頻率2400Hz，低電平0V，高電平5V的方波信號(hào)，用作后級(jí)電路的輸入信號(hào)。

2.2 時(shí)序控制器設(shè)計(jì)

時(shí)序控制器的作用是給后級(jí)三相功率驅(qū)動(dòng)電路提供六路輸入控制信號(hào)。時(shí)序控制器由三個(gè)D觸發(fā)器CD4013B和一個(gè)三輸入與門CD4073B組成。時(shí)序控制器產(chǎn)生頻率400Hz，相位差為120°的三路方波信號(hào)，輸入到功率驅(qū)動(dòng)器IR2130。

2.3 三相功率驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

三相功率驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，LIN1、LIN2、LIN3、HIN1、HIN2、HIN3是前級(jí)提供的輸入信號(hào)，A、B、C是三相功率驅(qū)動(dòng)信號(hào)。IR2130同時(shí)控制六個(gè)功率管V1～V6的導(dǎo)通和關(guān)斷，通過(guò)輸出HO1～HO3分別控制三相全橋驅(qū)動(dòng)電路的上半橋V1～V3，輸出LO1～LO3分別控制三相全橋驅(qū)動(dòng)電路的下半橋V4～V6。為防止上下橋臂功率管的直通，HO1～HO3與LO1～LO3之間有2μs死區(qū)時(shí)間。

圖1 三相功率驅(qū)動(dòng)電路原理圖

IR2130除集成了一個(gè)全橋的驅(qū)動(dòng)器以外，還設(shè)計(jì)了自舉功能。自舉電路主要由自舉二極管V7～V9和自舉電容C13～C15組成。當(dāng)下橋臂功率開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通時(shí)，管腳VS1～VS3被拉到地電位，VCC電源通過(guò)自舉二極管給自舉電容充電，因此管腳VB1～VB3與管腳VS1～VS3之間產(chǎn)生一個(gè)接近于VCC的電勢(shì)差；當(dāng)上橋臂功率開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通時(shí)，管腳VS1～VS3的電壓變成主電路電源電壓VDC，由于電容兩端電壓不能突變，管腳VB1～VB3與管腳VS1～VS3之間的電壓差維持VCC不變，故管腳VB1～VB3相對(duì)于功率地的電壓相應(yīng)地變成VDC＋VCC，使功率管柵源極間壓差為VCC，從而維持功率管的可靠導(dǎo)通。

當(dāng)IR2130的HIN1～HIN3輸入相位差為120的方波信號(hào)、LIN1～LIN3輸入分別與HIN1～HIN3相反的信號(hào)時(shí)，A、B、C三點(diǎn)的電位取決于V1～V6功率管的導(dǎo)通狀態(tài)，在HO1～HO3和LO1～LO3的控制下，功率管V1～V6輪流導(dǎo)通，在一個(gè)方波周期內(nèi)有六種不同的導(dǎo)通狀態(tài)，每個(gè)導(dǎo)通狀態(tài)所占的時(shí)間為方波周期的1/6。為方便分析，把一個(gè)方波周期均分為六個(gè)階段，分別編號(hào)為階段1～階段6。在階段1，HO1＝1，HO2＝1，HO3＝0，LO1＝0，LO2＝0，LO3＝1，因此，V1V2V6導(dǎo)通，而V3V4V5關(guān)斷。依此類推，在階段2～階段5，導(dǎo)通的功率管分別為V4V2V6、V4V2V3、V4V5V3、V1V5V3、V1V5V6。在V1導(dǎo)通期間，A點(diǎn)電位為VDC，在V4導(dǎo)通期間，A點(diǎn)電位為0，由此可推導(dǎo)出A點(diǎn)在整個(gè)周期內(nèi)的電位。類似地，推導(dǎo)出B、C點(diǎn)在整個(gè)周期內(nèi)的電位。最終電路輸出A、B、C是高電平為母線電壓VDC、相位差120的三相電源信號(hào)，具有大電流輸出能力，可用于很多使用三相電源的場(chǎng)合，例如用于驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)的運(yùn)行。

結(jié)論：本三相功率驅(qū)動(dòng)電路基于功率驅(qū)動(dòng)芯片IR2130實(shí)現(xiàn)，具有集成度高、多路輸出、單電源驅(qū)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，大大降低了電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。IR2130固有的死區(qū)時(shí)間保證同一相上下橋臂兩個(gè)功率管不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通，提高了系統(tǒng)的可靠性。