目前，可逆H全橋PWM直流電機(jī)控制系統(tǒng)主要采用功率MOSFET、IGBT管作為開關(guān)管，而開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電路通常采用集成驅(qū)動(dòng)電路，將微機(jī)的PWM控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成同步高壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)。IR2110芯片是一種H半橋（獨(dú)立一橋臂雙通道）、柵極驅(qū)動(dòng)、高壓、高速單片式專用功率器件集成驅(qū)動(dòng)電路，2片IR2110就能構(gòu)成H全橋功率MOS－FET管可逆PWM他勵(lì)直流控制系統(tǒng)主控回路。IR2110芯片高端懸浮通道采用外部自舉電容產(chǎn)生懸浮電壓源VBS，與低端通道共用一個(gè)外接驅(qū)動(dòng)電源VCC，兼有光耦隔離和電磁隔離的優(yōu)點(diǎn)，配置所有高壓引腳在芯片一側(cè)、獨(dú)立的邏輯地和功率地，使芯片結(jié)構(gòu)緊固可靠。

1、IR2110H橋典型驅(qū)動(dòng)電路

基于2片IR2110的H橋4片MOSFET管直流電機(jī)典型驅(qū)動(dòng)電路如圖1所示。當(dāng)VT1、VT4導(dǎo)通時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)VT2、VT3導(dǎo)通時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)VT2、VT4導(dǎo)通時(shí)，電機(jī)兩極與地短接，電機(jī)剎車能耗制動(dòng)。

圖1 ?基于IR2110的H橋直流電機(jī)典型驅(qū)動(dòng)電路

C24，C30是自舉電容，D4，D12是自舉快恢復(fù)二極管，防止VT1、VT3導(dǎo)通時(shí)高電壓串入VCC端損壞該芯片。C27、C31是功率電源VCC的濾波電容，C100、C103是邏輯電源VDD的濾波電容。R172，R181是自舉電容C24，C30充電回路的限流自舉電阻，防止電容過充、VS出現(xiàn)低于地電位的情況發(fā)生。

電阻R13，R23，R31，R37是IR2110輸出通道到MOSFET管柵極間的限流電阻，取值為幾十Ω，防止柵極電流DI／DT過大損壞MOSFET管。C23，C26，C29，C32是濾波電容，與電阻R13，R23，R31，R37組成RC低通濾波電路，對(duì)IR2110輸出信號(hào)進(jìn)行低通濾波。

功率場效應(yīng)管IRF3205的柵－源極電壓容限為±20V，而IR2110內(nèi)部沒有連接于柵極的限壓元件，MOSFET漏極產(chǎn)生的浪涌電壓會(huì)通過漏柵極之間的米勒電容耦合到柵極上擊穿柵極的氧化層，所以在MOS管柵－源極之間加分壓電阻和穩(wěn)壓二極管來箝位柵－源極電壓，同時(shí)保護(hù)IR2110不被MOS管短路高壓竄入損壞。穩(wěn)壓二極管D6，D10，D14，D18穩(wěn)壓在18V左右，電阻R14，R24，R35、R35對(duì)IR2110輸出信號(hào)分壓，有效降低柵極電壓。

D5，D8，D13，D16是在IR2110發(fā)出關(guān)斷信號(hào)時(shí)，給功率場效應(yīng)管從導(dǎo)通狀態(tài)切換到關(guān)斷狀態(tài)提供一個(gè)快速釋放電荷通道的快恢復(fù)二極管。由于IR2110的導(dǎo)通傳播延時(shí)典型值為120ｎS，關(guān)斷傳播延時(shí)典型值為94ｎS，僅僅相差26ｎS，快恢復(fù)二極管可進(jìn)一步加快功率MOSFET的關(guān)斷時(shí)間有利于增強(qiáng)橋臂開關(guān)管先關(guān)斷后導(dǎo)通死區(qū)周期，防止同一臂上下兩個(gè)功率場效應(yīng)管同時(shí)導(dǎo)通短路燒毀。電阻R173，R174，R182，R183用于限制功率場效應(yīng)管釋放電流，防止大電流損壞IR2110［8］，取值為幾Ω。D82，D83，D88，D89是用來鉗位功率MOS－FET管開關(guān)過程中漏源極浪涌電壓的穩(wěn)壓二極管。

2、IR2110自舉電路原理

IR2110的自舉電路是一種簡約型高端浮動(dòng)供電模式，滿足一般PWM控制需要。結(jié)合圖1的U9，介紹IR2110自舉電路的工作原理。當(dāng)VT1截止，VT4導(dǎo)通期間，將A點(diǎn)（VS）的電位拉低到地，＋15V（VCC）通過自舉電阻（R172）和自舉二級(jí)管（D4）給自舉電容（C24）充電，通過電容C24在VB和VS之間形成一個(gè)懸浮電源，作為IR2110的上通道（高端）邏輯電源，維持IR2110高端輸出引腳VH輸出正常電平，為上橋臂主開關(guān)器件VT1提供柵極驅(qū)動(dòng)電壓。正是由于自舉電容的存在，使IR2110控制同一橋臂上、下主開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)電路只需一個(gè)外接電源。

當(dāng)VT1導(dǎo)通時(shí)，C24放電以維持高端導(dǎo)通。當(dāng)C24電荷沒有充滿，或者電容充滿但高端持續(xù)工作時(shí)間較長，導(dǎo)致電容放電過度，IR2110高端懸浮電源VB的內(nèi)部欠壓檢測保護(hù)邏輯就會(huì)動(dòng)作，將VH拉為低電平，使驅(qū)動(dòng)電路無法正常工作。IR2110的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖清楚反映了低端電源VCC和高端懸浮電源VB的欠電壓檢測電路結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 IR2110內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

3、自舉電路參數(shù)計(jì)算

3．1、自舉電容估算

自舉電容必須能提供不低于MOSFET管柵極電荷導(dǎo)通所需的電荷，并且在高端主開關(guān)器件開通期間保持其電壓。工程估算公式如下：

其中：QG－MOSFET管門極電荷（可由MOS－FET手冊(cè)中查到）；VCC－充電電源電壓；VLS－下半橋MOSFET導(dǎo)通柵源閾值電壓，一般為2－4V；VMIｎ－VB和VS之間的最小電壓（可由IR2110手冊(cè)中查到，VBSUVMIｎ＝7．4V）；VF－自舉快恢復(fù)二極管的正向管壓降，一般為1．5V。

當(dāng)采用MOSFET管IRF3205構(gòu)成H橋可逆PWM驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，功率電源＝15V。查IRF3205．PDF，QG＝146ｎC。查IR2110．PDF，VMIｎ＝7．4V。代入式（1）得：

工程上，再保留一定的余量，取估算值的2－3倍。CBS＝0．1μF。

3．2、自舉電阻估算

自舉電阻RBS應(yīng)滿足：CBSRBS＞T（2）

查IR2110數(shù)據(jù)手冊(cè)得T＝10ｎS。

工程上，再取估算值的2倍左右，RBS＝3．3Ω。

3．3、自舉二極管

自舉二極管用于防止上橋MOS管導(dǎo)通時(shí)母線高壓反竄入VCC端損壞IR2110芯片。反向耐壓必須大于母線高壓峰值［4］，電流必須大于柵極電荷與開關(guān)頻率之積，即

I＞F×QG（3）

通常選用漏電流小的快恢復(fù)二極管，反向恢復(fù)時(shí)間應(yīng)小于IR2110導(dǎo)通傳播延時(shí)典型值120ｎS。若設(shè)PWM頻率F＝10ｋHｚ，IRF3205的柵極QG＝146ｎC，則自舉二極管的正向電流

I＞F×QG＝10×103×146×10－9＝1．46MA

4、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在圖1基礎(chǔ)上，用TMS320LF2407A為控制器對(duì)他勵(lì)直流電機(jī)進(jìn)行空載啟動(dòng)與減速制動(dòng)控制試驗(yàn)。電機(jī)的銘牌參數(shù)如下：Vｎ＝24V，Iｎ＝62A，ｎE＝26000R／MIｎ［10］。主開關(guān)器件為功率MOS－FETIRF3205。PWM恒定頻率為10ｋHｚ，通過調(diào)節(jié)PWM的占空比調(diào)節(jié)他勵(lì)直流電機(jī)的電樞電壓，實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)與減速制動(dòng)。

DSP的電機(jī)啟動(dòng)PWM程序初始化設(shè)定占空比從10％開始，每隔20MS，檢測電樞電流ID，若ID超過2IE（IE電樞額定電流），則立即減小CM－PR1，即減小占空比，實(shí)施過流保護(hù)。若沒有超過，CMPR1增加一個(gè)步距，一般設(shè)定為T1PR周期計(jì)數(shù)值的0．2％－0．5％左右。所謂帶載突跳式啟動(dòng)，保證啟動(dòng)電磁轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，但又保證啟動(dòng)電流不超過2倍額定電流（2IE）的逐漸上升軟啟動(dòng)。DSP的電機(jī)減速制動(dòng)PWM程序是逐漸減少占空比，直到為0。圖3（A）所示為軟啟動(dòng)占空比達(dá)到30％時(shí)IR2110驅(qū)動(dòng)的輸出的波形；圖3（B）所示為軟啟動(dòng)結(jié)束占空比達(dá)到90％時(shí)IR2110驅(qū)動(dòng)的輸出波形。

5、結(jié)論

功率MOSFET管集成驅(qū)動(dòng)電路IR2110的自舉電路簡化了H橋高端懸浮電源配置問題，同時(shí)對(duì)自舉電路的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提出一定要求，對(duì)PWM控制頻率也有一定限制。通過分析IR2110的特性和驅(qū)動(dòng)MOSFET的應(yīng)用特點(diǎn)，介紹了IR2110的自舉電路優(yōu)化設(shè)計(jì)、MOSFET的保護(hù)電路等。在基于TMS320LDF2407A為控制器、IR2110為驅(qū)動(dòng)器的他勵(lì)直流電機(jī)H橋PWM調(diào)速系統(tǒng)上實(shí)驗(yàn)表明：IR2110能有效控制功率MOS－FET管實(shí)現(xiàn)他勵(lì)直流電機(jī)的軟啟動(dòng)和減速制動(dòng)以及過流保護(hù)。