IR2130驅動芯片特點及其在電機驅動中的應用

1 前言

　　IR公司推出的IR21xx系列集成芯片是MOS、IGBT功率器件專用柵極驅動芯片，通過自舉電路工作原理，使其既能驅動橋式電路中低壓側的功率器件，又能驅動高壓側的功率元件，因而在電機控制、伺服驅動、UPS電源等方面得到廣泛應用。這些器件集成了特有的負電壓免疫電路，提高了系統耐用性和可靠性，有些器件不僅有過流、過溫檢測輸入等功能，還具有欠壓鎖定保護、集成死區時間保護、擊穿保護、關斷輸入、錯誤診斷輸出等功能。

2 IR2130芯片特點

　　IR2130是600V以下高壓集成驅動器件，它具有六路輸入信號和六路輸出信號，且只需一個供電電源即可驅動三相橋式逆變電路的6個功率開關器件，一片IR2130可替代3片IR2110,使整個驅動電路更加簡單可靠。

　　IR2130芯片具有以下一些特點：

　　（1）可直接驅動高達600V電壓的高壓系統，輸出端具有dV/dt抑制功能;

　　（2）最大正向峰值驅動電流為250mA，反向峰值驅動電流為500mA;

　　（3）具有電流放大和過電流保護功能，同時關斷六路輸出;

　?。?）自動產生成上、下側驅動所必需的死區時間（2.5μs）;

　　（5）具有欠壓鎖定功能并能及時關斷六路輸出;

　　（6）2.5V邏輯信號輸入兼容。

　　IR2130的內部結構如圖1所示,引腳定義VCC為輸入電源, HIN1、HIN2、HIN3、LIN1、LIN2、LIN3為輸入端,FALUT為故障輸出端, ITRIP為電流比較器輸入端，CAO為電流放大器輸出端, CA-為電流放大器反向輸入端,VSS為電源地,VSD為驅動輸出地,L01、L02、L03為三路低側輸出,VB1、VB2、VB3為三路高側電源端，HO1、HO2、HO3為三路高側輸出端，VS1、VS2、VS3為高端側電源地。

　　正常工作時,輸入的6 路邏輯控制信號經內部的3個輸入信號處理器處理,下橋臂信號L1-L3經輸出驅動器功放后,直接送往被驅動功率器件。而上橋臂功率管的信號H1-H3先經集成于IR2130內部的3 個電平移位器中的自舉電路進行電位變換, 變為3 路電位懸浮的驅動信號, 再經對應的3路輸出鎖存器鎖存并經嚴格的電壓檢驗之后, 送到輸出驅動器后才加到被驅動的功率管。

　　當外部電流發生過流時，電流檢測單元送來的信號高于內部給定電壓0.5V，IR2130內部的電流比較器迅速翻轉,使故障邏輯處理單元輸出低電平，快速封鎖3路輸入脈沖信號處理器的輸出，使IR2130的輸出全為低電平，保護功率管;同時IR2130的FAULT腳電平拉低，輸出故障指示。若發生工作電源欠壓，則欠壓檢測器迅速翻轉，也會進行類似動作。發生故障后，IR2130內的故障邏輯處理單元的輸出將保持故障閉鎖狀態，直到故障清除。在信號輸入端LIN1-LIN3同時被輸入高電平時，才可以解除故障閉鎖狀態。

3 IR2130在電機驅動中的應用

　　本文將IR2130作為信號的前級驅動，將其應用在三相混合式步進電機驅動系統中做驅動信號的轉換。三相逆變橋中的一個橋的典型連接如圖2所示，系統主供電電壓為220VAC，經整流濾波得到的近310V的直流母線電壓，圖中C1是自舉電容，為上橋臂功率管驅動的懸浮電源存儲能量，當開關頻率大于5kHz 時, 該電容值應不小于0.1UF, 且選低漏電流的瓷片電容為好;D1為自舉二極管，其作用是防止上橋臂導通時的直流電壓母線電壓加到IR2130的電源上而使器件損壞，因此D1應有足夠的反向耐壓，為了滿足主電路功率管開關頻率的要求，D1還應選超快速恢復型二極管。R1和R2是IGBT的柵極限流電阻, 一般可采用十幾到幾十歐。不同電阻值對IGBT的動態特性將產生極大的影響，數值較小的柵極電阻使柵極電容充放電較快，但同時它只能承受較小的柵極噪聲，并導致柵極-發射極之間電容同驅動電路引線的寄生電感產生振蕩問題。不同電流容量的IGBT器件的柵極限流電阻有不同的取值 ,功率越大的管子柵極電阻應越小。

　　驅動系統通過IR2130將電機控制PWM信號，經三相半橋逆變電路后驅動電機,實現了電機電流調節，結果如圖3所示，通道1為給定電流，通道2為實際輸出電流，從結果上看，電流波形和給定電流基本吻合（由于控制的需要，給定與實際電流的相位相反）。

4 IR2130使用注意事項

　　首先IR2130在使用上要注意以下幾點：

　?。?）由于IR2130的電流檢測輸入端直接與主電路連接,很容易引入干抗，因此電流檢測電阻應采用無感電阻。

　　（2）由于IR2130 采用了不隔離的驅動方式,若主電路功率器件損壞,高壓將直接串入IR2130，引起IR2130永久性損壞, 嚴重時還會將IR2130 前級電路擊穿。所以當IR2130的輸入信號來自微處理器時必須采取隔離措施[3]。

　　其次由IR2130組成的自舉電路各個參數的選擇要注意，特別是自舉電容和自舉二極管，柵極電阻也是必須要考慮的因素之一。PCB的布局和布線上也有嚴格要求，如何減小自舉電路上由于引腳連接和PCB引線上產生的電感，可從以下幾個方面考慮：

　?。?）使用寬線直接連接兩個功率器件，不要有環路和遠離;

　?。?）單點連接IR213O的地和功率地，同時考慮功率地和邏輯地的單點連接;

　?。?）IR2130距離功率器件越近越好，自舉電容盡量靠近驅動IC;

5 結語

　　本文介紹了IR2130芯片的特點，并成功將其應用在三相混合式步進電機驅動系統中, 通過樣機測試及實際現場使用，結果都表明該驅動電路工作十分可靠，還可地實現短路、過流、欠壓等故障保護。