一種三相功率驅動電路

中國兵器工業第214研究所 李金寶 李貴嬌 尹宏程

在傳統的三相橋式電路中，主電路功率開關器件常采用IGBT或MOSFET等全控型器件，應用分立器件來構成門極驅動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等問題難以很好解決，加之每一個MOS門功率器件需一個門極驅動電路，多功率MOS門器件系統應用這種驅動電路復雜而龐大，使應用受到了極大限制。構成MOS門功率器件驅動電路的另一個有效辦法是采用目前國內市場上可買到的集成電路芯片——如IR2110、EXB840等等，這些器件的優點在于簡化了驅動電路的設計，但每一個芯片仍需一到兩個懸浮電源，且每片電路僅可驅動一到兩只MOS門功率器件，對三相全橋功率電路，驅動電路獨立電源數較多，應用仍有不便。本文介紹一種基于IR2130的三相橋式功率驅動電路。IR2130內部設有自舉式懸浮電路，只需要一個供電電源即可驅動三相橋式電路的六個功率開關器件，使系統設計極為簡化。

1 電路原理

本三相功率驅動電路由方波發生器、時序控制器及三相功率驅動電路組成。其中，方波發生器由石英晶體振蕩器和CD4060B計數器組成，時序控制器由三路D觸發器和三輸入與門組成，三相功率驅動電路由功率驅動器IR2130及六個功率管輸出電路組成。電路工作過程如下：方波發生器發出頻率2.4kHz，低電平0V，高電平5V的方波信號，作為時序控制器的時鐘信號。時序控制器產生頻率400Hz，相位差為120°的三路方波信號，輸入到功率驅動器IR2130。IR2130接收到此信號，對其進行譯碼，產生三相上、下橋臂六路驅動控制信號，六路驅動控制信號經過外圍電阻，施加到六個開關管上，使其產生三相功率驅動信號。

2 電路設計

2.1 方波發生器設計

方波由CD4060B產生，CD4060B是一個分頻計，輸出頻率與輸入頻率關系如下：f(Qn)＝f(CKI)/2n，當n＝12時，f(Q12)＝f(CKI)/212＝9.8304MHz/212＝2.4kHz。

輸出的CLK時鐘信號是頻率2400Hz，低電平0V，高電平5V的方波信號，用作后級電路的輸入信號。

2.2 時序控制器設計

時序控制器的作用是給后級三相功率驅動電路提供六路輸入控制信號。時序控制器由三個D觸發器CD4013B和一個三輸入與門CD4073B組成。時序控制器產生頻率400Hz，相位差為120°的三路方波信號，輸入到功率驅動器IR2130。

2.3 三相功率驅動電路設計

三相功率驅動電路結構如圖1所示。其中，LIN1、LIN2、LIN3、HIN1、HIN2、HIN3是前級提供的輸入信號，A、B、C是三相功率驅動信號。IR2130同時控制六個功率管V1～V6的導通和關斷，通過輸出HO1～HO3分別控制三相全橋驅動電路的上半橋V1～V3，輸出LO1～LO3分別控制三相全橋驅動電路的下半橋V4～V6。為防止上下橋臂功率管的直通，HO1～HO3與LO1～LO3之間有2μs死區時間。

圖1 三相功率驅動電路原理圖

IR2130除集成了一個全橋的驅動器以外，還設計了自舉功能。自舉電路主要由自舉二極管V7～V9和自舉電容C13～C15組成。當下橋臂功率開關器件導通時，管腳VS1～VS3被拉到地電位，VCC電源通過自舉二極管給自舉電容充電，因此管腳VB1～VB3與管腳VS1～VS3之間產生一個接近于VCC的電勢差；當上橋臂功率開關器件導通時，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相對于功率地的電壓相應地變成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通。

當IR2130的HIN1～HIN3輸入相位差為120的方波信號、LIN1～LIN3輸入分別與HIN1～HIN3相反的信號時，A、B、C三點的電位取決于V1～V6功率管的導通狀態，在HO1～HO3和LO1～LO3的控制下，功率管V1～V6輪流導通，在一個方波周期內有六種不同的導通狀態，每個導通狀態所占的時間為方波周期的1/6。為方便分析，把一個方波周期均分為六個階段，分別編號為階段1～階段6。在階段1，HO1＝1，HO2＝1，HO3＝0，LO1＝0，LO2＝0，LO3＝1，因此，V1V2V6導通，而V3V4V5關斷。依此類推，在階段2～階段5，導通的功率管分別為V4V2V6、V4V2V3、V4V5V3、V1V5V3、V1V5V6。在V1導通期間，A點電位為VDC，在V4導通期間，A點電位為0，由此可推導出A點在整個周期內的電位。類似地，推導出B、C點在整個周期內的電位。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，具有大電流輸出能力，可用于很多使用三相電源的場合，例如用于驅動無刷直流電機的運行。

結論：本三相功率驅動電路基于功率驅動芯片IR2130實現，具有集成度高、多路輸出、單電源驅動等優點，大大降低了電路設計的復雜度。IR2130固有的死區時間保證同一相上下橋臂兩個功率管不會同時導通，提高了系統的可靠性。