IR2110高性能MOSFET和IGBT驱动集成电路

IR2110是美国国际整流器公司(InternationalRectifierCom-pany)利用自身独有的高压集成电路及无闩锁CMOS技术于1990年前后开发并投放市场至今独家生产的大功率MOSFET和IGBT专用驱动集成电路。经过近五年的发展，国际整流器公司依靠自身在高频MOS门器件及其驱动电路方面雄厚的技术实力和生产工艺，已批量推出了IR21系列近几十种功率MOS器件的驱动电路，其技术处于世界先进行列。IR2110的研制成功，使MOS-FET和IGBT的驱动电路设计大为简化，加之它可实现对MOS-FET和IGBT的最优驱动，又具有快速完整的保护功能，因而它的应用可极大地提高控制系统的可靠性并极大缩小控制板的尺寸。

1.主要设计特点和性能

(1)IR2110内部应用自举技术来实现同一集成电路可同时输出两个驱动逆变桥中高压侧与低压侧的通道信号，它的内部为自举操作设计了悬浮电源，悬浮电源保证了IR2110直接可用于母线电压为-4～+500V的系统中来驱动功率MOSFET或IGBT。同时器件本身允许驱动信号的电压上升率达士50V/μs,故保证了芯片自身有整形功能，实现了不论其输入信号前后沿的陡度如何，都可保证加到被驱动MOSFET或IGBT栅极上的驱动信号前后沿很陡，因而可极大地减少被驱动功率器件的开关时间，降低开关损耗。

(2)IR2110的功耗很小，故可极大地减小应用它来驱动功率MOS器件时栅极驱动电路的电源容量。从而可减小栅极驱动电路的体积和尺寸，当其工作电源电压为15V时，其功耗仅为1.6mW。

(3)IR2110的合理设计，使其输入级电源与输出级电源可应用不同的电压值，因而保证了其输入与CMOS或TTL电平兼容，而输出具有较宽的驱动电压范围，它允许的工作电压范围为5~20V。同时，允许逻辑地与工作地之间有-5～+5V的电位差。

(4)在IR2110内部不但集成有独立的逻辑电源与逻辑信号相连接来实现与用户脉冲形成部分的匹配，而且还集成有滞后和下拉特性的施密特触发器的输入级，及对每个周期都有上升或下降沿触发的关断逻辑和两个通道上的延时及欠电压封锁单元，这就保证了当驱动电路电压不足时封锁驱动信号，防止被驱动功率MOS器件退出饱和区、进入放大区而损坏。

(5)IR2110完善的设计，使它自身可对输入的两个通道信号之间产生合适的延时，保证了加到被驱动的逆变桥中同桥臂上的两个功率MOS器件的驱动信号之间有一互锁时间间隔，因而防止了被驱动的逆变桥中两个功率MOS器件同时导通，发生直流电源直通而短路的危险。

(6)由于IR2110是应用无闩锁CMOS技术制作的，因而决定了其输入输出可承受大于2A的反向电流。它的最高工作频率较高，内部对信号的延时极小。对两个通道来说，其典型开通延时为120ns,而关断延时为94ns,且两个通道之间的延时误差不超过士10ns,因而决定了IR2110可用来实现最高工作频率大于1MHz的门极驱动。

(7)再应看到IR2110的输出级采用推挽结构来驱动所需驱动的功率MOSFET或IGBT,因而它可输出最大为2A的驱动电流，且开关速度较快，当所驱动的功率MOS器件的栅极等效电容为1000pF时，该开关时间的典型值为25ns。

2.封装形式、引脚名称、功能和用法及主要参数限制

IR2110是一个14引脚的标准双列直插式高压、高速大规模集成电路。它的引脚排列见图12-35,各引脚的名称、功能和用法简介如下。

引脚10(HIN)及引脚12(LIN)分别为驱动逆变桥中同桥

臂上下两个功率MOS器件的驱动脉冲信号输入端，应用中接用户脉冲形成部分的对应两路输出，对此两个信号的限制为Vss-0.5V~Vcc+0.5V,

这里Vcc与Vss分别为连接到IR2110的引脚13(Vss)与引脚9(Vp)端的电压值。

引脚11(SD)为保护信号输入端。当该脚接高电平时，IR2110的输出信号全被封锁、其对应输出端恒为低电平，而当该端接低电平时，则IR2110的输出跟随引脚10与12而变化，应用中该端接用户故障(过电流、过电压)保护电路。对该端信号的限制同LIN及HIN端。

引脚6(VB)与引脚3(Vcc)分别为上下通道互锁输出级电源输入端。应用中引脚3直接接用户提供的输出级电源正极，且通过一个较高品质的电容接引脚2,而引脚6通过一阴极连接到该端阳极连接到引脚3的高反压快恢复二极管与用户提供的输出级电源相连，对Vcc的参数要求为大于或等于-0.5V,而小于或等于+20V。

3.工作原理简介IR2110原理框图见图12-36。从图显而可见，其内部集成有一个逻辑信号输入级及两个独立的、分别以高压、低压为基准的输出通道，它的主要构成有三个独立的施密特触发器、两个RS触发器、两个Vpo/Vc电平转换器、一个脉冲放大环节、一个脉冲滤波环节、一个高压电平转换网络及两个或非门、六个MOS场效应晶体管、一个具有反相输出的与非门、一个反向器和一个逻辑网络。

IR2110的工作原理可简述如下：两个输出通道(上通道及下通道)的控制脉冲通过逻辑电路与输入信号相对应，当保护信号输入端为低电平时，同相输出的施密特触发器SM输出为低电平，两个RS触发器的置位信号无效，则两或非门的输出跟随HIN及LIN变化，控制信号有效；而当SD端输入高电平时，因SM输出

高电平，两个RS触发器置位，两或非门输出恒为低电平，控制输入信号无效，此时即使SD变为低电平，但由于RS触发器由Q端维持高电平，所以两或非门输出将保持低电平，直到施密特触发器SMH和SML输出脉冲的上升沿到来，两个或非门才因RS触发器翻转为低电平而跟随HIN及LIN变化，由于逻辑输入级中的施密特触发器具有0.1Vop的滞后带，因而整个逻辑输入级具有良好的抗干扰能力，并可接受上升时间较长的输入信号，再则逻辑电路以其自身的逻辑电源为基准，这就决定了逻辑电源可用比输出工作电源电压低得多的电源电压。为了将逻辑信号电平转变为输出驱动信号电平，片内应用了两个抗干扰性能很好的Vop/Vec电平转换电路，该电路的逻辑地电位(Vss)和功率电路地电位(COM)之间允许有±5V的额定偏差，因此决定了逻辑电路不受由于输出驱动开关动作而产生的耦合干扰的影响。集成于片内下通道内的延时网络实现了两个通道的传输延时，此种结构简化了控制电路时间上的要求；两个通道分别应用了两个相同的交替导通的推挽式连接的低阻场效应晶体管，该两个场效应晶体管分别由两个N沟道的MOSFET驱动，因而其输出的峰值电流可达2A以上，由于这种推挽式结构，所以驱动容性负载时上升时间比下降时间长。对于上通道，很窄的开通和关断脉冲由脉冲发生器产生，并分别由HIN的上升和下降沿触发，脉冲发生器产生的两路脉冲用以驱动两个高压DMOS电平转换器，该两个转换器接着又对工作于悬浮电位上的RS触发器进行置位或复位，这便是以地电位为基准的HIN信号的电平转换为悬浮电位的过程。由于每个高压DMOS电平转换器仅在RS触发器置位或复位时开通一段很短的开关脉冲时间，因而使功耗达到最小。再则，Vs端快速dV/dt瞬变产生的RS触发器的误触发可通过一个鉴别电路与正常的下拉脉冲有效地区别开来。这样，上通道基本上可承受任意幅值的dV/dt值，并保证了上通道的电平转换电路即使在Vs端电压降到比COM端还低4V时仍能正常工作。对于下通道，由于正常时SD为低电平，Voc不欠电压，所以施密特触发器SML的输出使下通道中的或非门输出跟随LIN而变化，此变化的逻辑信号经下通道中的VDp/Vcc电平转换器转换后加给延时网络，由延时网络延时一定的时间后加到与非门电路，其同相和反相输出分别用来控制两个互补输出级中的低阻场效应晶体管驱动级中的MOS管，当Vcc低于电路内部整定值时，下通道中的欠电压检测环节输出，在封锁下通道输出的同时封锁上通道的脉冲产生环节，使整个芯片的输出被封锁；而当VB欠电压时，则上通道中的欠电压检测环节输出仅封锁上通道的输出脉冲。

4.应用注意事项IR2110独特的结构决定了它通常可用于驱动单管斩波、单相半桥、单相全桥、三相全桥逆变器或其他电路结构中的两个相串联或以其他方式连接的高压N沟道功率MOSFET或IGBT,其下通道的输出直接用来驱动逆变器(或以其他方式连接)中的功率MOSFET或IGBT,而它的上通道的输出则用来驱动需要高电位栅极驱动的高压侧的功率MOSFET或IGBT,在它的应用中需注意下述问题：

(1)IR2110的典型应用连接见图12-37。通常，它的输出级的工作电源是一悬浮电源，这是通过一种自举技术由固定的电源得来的。充电二极管VD的耐压能力必须大于高压母线的峰值电压，为了减小功耗，推荐采用一个快恢复的二极管。自举电容C的值

依赖于开关频率，占空比和功率MOSFET或IGBT栅极的充电需要，应注意的是电容两端耐压不允许低于欠电压封锁临界值，否则将产生保护性关断。对于5kHz以上的开关应用，通常采用0.1uF的电容是合适的。

(2)为了向需开关的容性负载提供瞬态电流，应用中应在Vcc和COM间、VDp和Vss间连接两个旁路电容，这两个电容及VB和Vs间的储能电容都要与器件就近连接。建议Vcc上的旁路电容用一个0.1μF的陶瓷电容和一个1μF的钽电容并联，而逻辑电源Vpo上有一个0.1μF的陶瓷电容就足够了。

(3)大电流的MOSFET或IGBT相对需要较大的栅极驱动能力，IR2110的输出即使对这些器件也可进行快速的驱动。为了尽量减小栅极驱动电路中的电感，每个MOSFET应分别连接到IR2110的2脚和5脚作为栅极驱动信号的反馈。对于较小功率的MOSFET或IGBT可在输出处串一个栅极电阻，栅极电阻的值依赖于电磁兼容(EMI)的需要、开关损耗及最大允许dv/dt值。

(4)IR2110的总功耗是高压母线电压、Vcc和VDo电压、开关频率、占空比、传输栅极驱动电量、工作结温的函数，总功耗可分为两部分：高压开关损耗和低压提耗，高压开关损耗可通过下式计算：

PD(RV)=VHLkd+(VBon+VBof)Qpf

式中VH———高压母线电压；

ILk——VB到地的漏电流；

d—高压侧开关通断的占空比；Qp——高压电平转换脉冲电量；

VBon及VBoff—开通脉冲及关断脉冲的平均电压；f—-高压通道的开关频率。

显见，VHIkd为静态高压开关损耗，而(VBon+VBoi)Qpf为动态高压开关损耗。由于电平转换损耗通常比漏电损耗要大得多，因而静态损耗通常可忽略。实验证明：当VB为定值时，对容性负载来说，在一定的工作温度下，随着被驱动的MOSFET或IGBT

工作开关频率的提高，在固定的高压母线电压VH下，Pp值将线性增大，并且随着被驱动的MOSFET或IGBT工作电路中高压母线电压的提高Po亦增大，然而实际上，在电平转换期间，Vs是变化的。

低压功耗可用下式来计算：

PDLV)=VgIQ+2VbisQgf+VbiasQcmosf

式中Vbus——低压偏压，假设Vop=Vcc=Vss(Ves为IR2110上通道输出功率放大级的工作电源电压，即图12-37

中电容C两端的电压；IQo—总静态电流；

Q——每次驱动MOSFET传输的栅极电量；f——开关频率；

QcMOs——与内部CMOS电路有关的开关损耗电量。

显见，式中VBIQtot为静态低压损耗，而2VsQ.f+VhiasQcmosf为动态低压开关损耗。由于此时静态损耗通常比动态损耗小得多，因而可忽略静态损耗。实验证明，在Vpp=Vcc=Vgs条件下，对一定的容性负载来说，随着开关频率的提高，PDuv)值线性增大，并且随着容性负载电容值的增大，PDLv)亦增大。

5.应用举例IR2110可用于单管斩波电路、单相半桥、单相全桥逆变器、三相全桥逆变器以及其他拓扑电路结构的电路中，限于篇幅本文仅举三例说明其应用。

(1)由单管MOSFET构成的斩波器系统中的应用：IR2110用于这种线路时的连接见图12-38。图中，悬浮电源VB也是通过自举技术获得的，C为自举电容，VD为充电二极管，VD₁为续流二极管。在这种应用中，IR2110仅用了一个单独的电源Vc,下通道的输入直接接地，其逻辑电路电源与主电路为共地电位。

(2)在正向逆变器系统中应用：IR2110用于这种线路时的接线见图12-39,在该应用中，IR2110的下通道及上通道共用一个输入脉冲信号，因而决定了其输出HO与IO同相位。该逆变器的工作原理为，当上通道输出HO为高电平时，VF,导通，此时因下通

道输出LO亦为高电平，因而VF,导通，VF₃关断，VF₂导通，电流经高压电源HV、场效应晶体管VF₁、负载Z及场效应晶体管VF₂流通。而当上侧通道的输出HO及下侧通道的输出LO为低电平时，VF,及VF₄关断，VF₃导通，感性负载Z的续流通路为VF₃、Z及VD₁到高压电源。由此可见，这种逆变器无论输入控制信号为高电平还是低电平，在负载Z上的电流及电压都为一种正方向(从左到右),所以称为正向式逆变器，图中HL为负载电流取样环节。它的作用为向保护电路提供一个过电流保护信号，以

进行过电流保护。

(3)两片IR2110相结合控制H桥中的四个大功率MOSFET(或IGBT):这种电路常用于可逆直流调速系统、不间断电源、VVVF电源等领域。IR2110用于这种电路中的原理见图12-40。图中，负载Z可以为直流电动机，也可以为VVVF电源中的滤波器和变压器等。TA为电流取样环节，由此构成过电流保护，而V为电压反馈信号，它可以用来构成闭环调压网络。该电路的工作原理可简述如下：在控制电路输出的上和下通道输入信号的作用下，VF₁、VF₂和VF₃、VF₄交替轮流导通，从而在负载Z上形成一个交替变化的交流电压和电流。