IR2304半桥驱动集成电路的功能原理及应用
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关键词：半桥驱动集成电路；IR2304；三相桥式逆变器
１ ＩＲ２３０４的功能特点
ＩＲ２３０４是国际整流器公司（ＩＲ）新推出的多功能６００Ｖ高端及低端驱动集成电路，这种适于功率ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ驱动的自举式集成电路在照明镇流器、电源及电机等功率驱动领域中将获得广泛的应用。ＩＲ２３０４的性能特点如下：
（１）芯片体积小（ＤＩＰ８），集成度高（可同时驱动同一桥臂的上、下两只开关器件）；
（２）动态响应快。典型通断延迟时间２２０／２２０ｎｓ、
内部死区时间１００ｎｓ、匹配延迟时间５０ｎｓ；
（３）驱动能力强，可驱动６００Ｖ主电路系统。具有６０ｍＡ／１３０ｍＡ输出驱动能力，栅极驱动输入电压宽达１０～２０Ｖ；
（４）工作频率高。可支持１００ｋＨｚ或以下的高频开关，可与ＩＲＦ８３０或ＩＲＦＢＣ３０等较小巧的ＭＯＳＦＥＴ或ＩＧＢＴ配合使用；
（５）输入输出同相设计。提供高端和低端独立控制驱动输出，可通过两个兼容３．３Ｖ、５Ｖ和１５Ｖ输入逻辑的独立ＣＭＯＳ或ＬＳＴＴＬ输入来控制，为设计带来了很大的灵活性；
（６）低功耗设计，坚固耐用且防噪效能高。ＩＲ２３０４采用高压集成电路技术，整合设计既降低成本和简化电路，又降低设计风险和节省电路板的空间。相比于其它分立式、脉冲变压器及光耦解决方案，ＩＲ２３０４更能节省组件数量和空间，并提高可靠性；
（７）具有电源欠压保护和关断逻辑。ＩＲ２３０４有两个非倒相输入及交叉传导保护功能，整合了专为驱动电机的半桥ＭＯＳＦＥＴ或ＩＧＢＴ电路而设的保护功能。当电源电压降至４．７Ｖ以下时，欠压锁定 ?ＵＶＬＯ? 功能会立即关掉两个输出，以防止穿通电流及器件故障。当电源电压大于５Ｖ时则会释放输出 ?综合滞后一般为０．３Ｖ?。过压（ＨＶＩＣ）及防闭锁ＣＭＯＳ技术使ＩＲ２３０４非常坚固耐用。
另外，ＩＲ２３０４还配备有大脉冲电流缓冲级，可将交叉传导减至最低；同时采用具有下拉功能的施密特（Ｓｃｈｍｉｔｔ） 触发式输入设计，可有效隔绝噪音，以防止器件意外开通。
ＩＲ２３０４采用８脚ＤＩＰ或ＳＯＩＣ封装，其引脚排列如图１所示。该芯片与其它同类产品的特性比较见表１，从表１可看出ＩＲ２３０４比同类其它产品特性更优越，集成度更高。
ＩＲ２３０４各引脚的功能及推荐工作参数如表２所列。
表1 IR2106/2301/2108/2109/2302/2304特性比较
| 同类产品 | 输入逻辑 | 保护逻辑 | 死区时间 | 接地引脚 |
| 2106/2301 | HIN/LIN | 没有 | 没有 | COM |
| 21064 | VSS/COM | |||
| 2108 | HIN/LIN | 有 | 内部540ns | COM |
| 21084 | 空 | 空 | 可编程0.54～5μs | VSS/COM |
| 2109/2302 | IN/SD | 有 | 540ns | COM |
| 21094 | 可编程0.54～5μs | VSS/COM | ||
| 2304 | HIN/LIN | 有 | 内部100ns | COM |
表2 IR2304推荐的工作参数
| 符 号 | 名 称 | 最小值 | 最大值 | 单位 |
| VIN | 高低端逻辑输入（HIN、LIN） | COM | Vcc | V |
| Vcc | 逻辑电源与低端电源电压 | 10 | 20 | |
| LO | 低端驱动输出 | COM | Vcc | |
| Vs | 高端浮偏电源参考电压 | 注1 | 600 | |
| HO | 高端驱动输出电压 | Vs | VB | |
| VB | 高端浮置电源电压 | Vs+10 | Vs+20 | |
| TA | 环境温度 | -40 | 125 | ℃ |
注：1：逻辑运行时为COM-5到COM+600V，逻辑状态保持为COM-5V到COM-Vbs
２ ＩＲ２３０４的工作原理
ＩＲ２３０４的典型接线如图２所示，图中ＶＣＣ为１０～２５Ｖ功率管门极驱动电源，可用ＴＴＬ或ＣＭＯＳ逻辑信号作为输入，因此ＶＣＣ可用一个典型值为＋１５Ｖ的电源。Ｃ２为自举电容，当ＶＴ１关断、ＶＴ２开通时，ＶＣＣ经ＶＤ、Ｃ２、负载、ＶＴ２给Ｃ２充电，以确保ＶＴ２关断、ＶＴ１开通时，ＶＴ１管的栅极靠Ｃ２上足够的储能来驱动，从而实现自举式驱动。若负载阻抗较大，Ｃ２经负载降压充电较慢，使得当ＶＴ２关断、ＶＴ１开通时Ｃ２上的电压仍不能充电至自举电压８．２Ｖ以上时，输出驱动信号会因欠压被片内逻辑封锁，ＶＴ１就无法正常工作。每个周期ＶＴ１开关一次，Ｃ２就通过开关ＶＴ２充电一次。因此，Ｃ２的容量选择应考虑如下几点：
（１）Ｃ２应为高稳定、低串联电感、高频率特性的优质电容，容量为０．１～１μＦ。
（２）尽量使自举上电回路不经大阻抗负载，否则应为Ｃ２充电提供快速充电通路。
（３）ＰＷＭ开关频率较高时，Ｃ２应选小。当ＰＷＭ工作频率较低时，若占空比较高，则ＶＴ１开通时间较长，ＶＴ２开通时间较短，因此Ｃ２应选小；若占空比较低，ＶＴ１导通脉宽较窄，则ＶＴ２导通脉宽较宽，自举电压容易满足。否则，在有限时间内无法达到自举电压，从而造成欠压保护电路工作。因此，Ｃ２的选择应综合考虑ＰＷＭ变化的各种情况，最好在调试时监测ＨＯ、ＶＳ脚的波形。
３ 三相桥式逆变电路
由ＩＲ２３０４组成的三相桥式逆变器的硬件结构如图３所示。对于由六个功率元件构成的三相桥式逆变器来说，采用三片ＩＲ２３０４驱动三个桥臂是中小型功率变换的理想选择。
该逆变电路中的主电路可将直流电压（＋ＤＣ）逆变为三相交流输出电压?Ｕ、Ｖ、Ｗ?。该直流电压（＋ＤＣ）来自三相桥式整流电路，逆变电路功率元件应选用耐压为１０００Ｖ的ＩＧＢＴ元件。
逆变器中的驱动电路使用的就是１０００Ｖ的ＩＲ２３０４。由于三相逆变器每个周期总有一个上下管导通，故上管自举电容容易充电，三个上管自举电路可有序工作。但ＩＲ２３０４使用不当，尤其是自举电容选择不好，易导致芯片损坏或不能正常工作。电容Ｃ１、Ｃ２和Ｃ３分别为三路高端输出的供电电源的自举电容。单电源＋１５Ｖ供电电压经二极管隔离后又分别作为其三路高端驱动输出的供电电源，这样一来大大减小了控制变压器体积并减少了电源数目，从而降低了产品成本，提高了系统可靠性。
通过电路中的ＰＷＭ控制器可为逆变器提供六路控制信号。一些模拟电路或数字电路的ＰＷＭ的产生都通过专用芯片来实现，如三相ＰＷＭ发生器ＳＡ８２８２。为了提高ＰＷＭ的输出质量和可靠性，以高性能单片机和数字信号处理（ＤＳＰ）等为控制核心来构成整个系统。如德州仪器ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０ｘＤＳＰ内部自带的事件管理器模块专门用来产生ＰＷＭ。它们大部分是在１６位单片机或ＤＳＰ的基础上增加部分特殊的控制功能来构成专用的集成电路，应用在各种开关电源、交直流电机调速系统中。以ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０ｘＤＳＰ为核心的典型数字控制电机变压变频调速系统原理框图如图４所示。实验和调试结果表明，利用ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７ＤＳＰ事件管理器模块的波形发生器输出的方波可简化系统的软硬件开发，同时其ＰＷＭ波形的质量和可靠性也很好。
４ 注意事项
用ＩＲ２３０４设计逆变器时，应注意以下几点：
（１）当自举电压不容易满足要求时，可以取掉ＶＤ，直接给ＶＢ、ＶＳ加另一个１０～２５Ｖ隔离电源，但这一作法没有充分利用ＩＲ２３０４应有的资源和特点。对于全桥型逆变器，无需经过负载充电，这种形式的自举工作仅是Ｃ２选择问题。
（２）若使用自举技术产生ＶＢ时，则接于引脚Ｖｃｃ与ＶＢ间的二极管ＶＤ应为超快恢复二极管，其反向耐压要大于６００Ｖ。
（３）芯片中的输入控制逻辑电路还为同一桥臂的高端和低端提供了死区时间，以避免同一桥臂上被驱动功率元件在开关转换过渡期间同时导通。
（４）驱动电路输出串接电阻阻值一般应在 １０～３３Ω，而对于小功率器件，串接电阻应该增加到３０～５０Ω。
（５）驱动电路与被驱动功率器件的距离应尽可能短，连接线应尽可能使用双绞线或同轴电缆屏蔽线。
（６）可使用高频高速光耦合器件，如６Ｎ１３６、４Ｎ２５等将控制部分（图３中的ＰＷＭ控制器）与由ＩＲ２３０４构成的驱动电路隔离，使控制电路的逻辑地和驱动电路的逻辑地相互独立，以此来增强系统的抗干扰能力。
（７）在具体应用电路设计中可根据实际需要灵活变更外围电路，以满足使用需求。
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