IR2130高性能集成六输出高压MOS栅极驱动器

IR2130是美国国际整流器公司继IR2110之后于1991年推出并至今独家生产的MOS功率器件专用栅极驱动集成电路，一片IR2130可取代三片IR2110,且仅需一个输入级电源。

1.主要设计特点IR2130的工作结温范围为-55～+150℃,工作频率从几十赫兹到上百千赫兹，其独特的设计使它可用来驱动工作在母线电压不高于600V的电路中的功率MOS器件。其可输出的最大正向峰值驱动电流为250mA,而反向峰值驱动电流为500mA。它的内部设计有过电流、过电压及欠电压保护，封锁和指示网络，使用户可方便地用来保护被驱动的功率MOS管。加之，内部自举技术的巧妙运用，使它可用于高压系统，它还可对同一桥臂上下两功率MOS器件的栅极驱动信号产生2μs的互锁延时时间。它自身工作电源的电压范围较宽，为3～20V,在它的内部还设有与被驱动的功率器件所通过的电流成线性关系的电流放大器，电路设计还保证了内部的三个通道中的高压侧驱动器与低压侧驱动器可单独使用，使用户既可仅用其内部的三个高压侧驱动器，亦可只用其内部的三个低压侧驱动器，并且输入信号与TTL及CMOS电平兼容。

2.引脚排列、名称、功能及用法和参数限制与推荐工作条件IR2130是一标准的双列直插式28引脚集成电路。其引脚排列见图12-41,各引脚的名称、功能、用法及推荐工作条件如下。

(1)输入端：

1)引脚28(VBl)、引脚24(VB₂)、引脚20(VB)为悬浮电源连接端。该三端的作用表现在为集成于IR2130内部的驱动变流器中三个高压侧功率管的驱动器提供电源，实用中，分别与三个阳极都接IR2130工作电源Vcc(引脚1)的高反压快恢复二极管中的一个的阴极相连，且该三个引脚分别通过一自举电容接对应的引脚26(Vs)、引脚22(Vs₂)或引脚18(Vss)。

2)引脚2(HIN1)、引脚3(HIN2)、引脚4(HIN3)为驱动变流器中三个高压侧功率管的对应信号输入端，实用中，与六路脉冲形成电路中输出的三个高压侧功率管驱动信号相连接。

3)引脚5(LIN1)、引脚6(LIN2)、引脚7(LIN3)为驱动变流器中三个低压侧功率管的对应信号输入端，实际应用中，接六路脉冲形成电路中输出的三个低压侧功率管驱动信号。

4)引脚9(TRCP)为过电流信号检测输入端。该端的作用是可通过输入电流信号来完成过电流或直通短路保护，实用中，接电流检测环节(分流器或互感器)的输出。

5)引脚11(CA一)、引脚13(Vso)为电流放大器信号检测输入端。该两端可用来完成电流信号输入，引脚11(CA-)为反相端，而引脚13(Vso)为同相端，应用中分别接电流检测环节输出的负端及正端。

(2)输出端：

1)引脚27(HO1)、引脚26(Vs),引脚23(HO2)、引脚22(Vs₂),引脚19(HO3)、引脚18(Vs),引脚16(LO1)、引脚15(LO2)、引脚14(LO3)、引脚13(Vso)为六路驱动器输出端。该几个端的作用是把经过IR2130内部逻辑处理过的六路驱动信号加到变流器中六个对应的功率管的栅射极(或栅源极、栅阴极)上，应用中HO1、HO2、HO3接变流器高压侧三个功率管的栅极，而对应的Vs:、Vsz、Vss接高压侧三个功率管的射极(或源极、阴极);LO1、LO2、LO3分别接与HO1、HO2、HO3相对应的变流器中低压侧三个功率MOS功率器件的栅极，Vsp同时接低压侧三个功率MOS管的射极(或源极、阴极)。

2)引脚8(FAULT)为过电流、直通短路及过电压、欠电压保护输出端，该端提供一个过电流、直通或过电压、欠电压保护的指示信号，应用中，接指示用发光二极管或用户系统封锁端。

3)引脚10(CAO)为IR2130内部电流放大器的输出端，该端可提供正比于负载电流的电压信号，使用户可用来与引脚11(CA一)端构成调节器，应用中，该端输出信号可接用户系统进行显示，亦可构成调节器后接用户系统来实现输出稳流控制等功能。

(3)电源端：引脚1(Vo)、引脚12(Vss)分别为电源连接端，该两端的作用是为IR2130提供一工作电源，当IR2130选正电源工作时，引脚1接正电源，而引脚12接电源地。1R2130在制作中因工艺原因，它的引脚中还有三个空脚，即引脚17、21、25。

(4)参数限制：IR2130的输入、输出管脚及应用电源的参数限制见表12-4。

表12-4IR2130的参数限制

(5)IR2130的推荐工作参数见表12-5。

表12-5IR2130的推荐工作条件

VocVco1VIN

10~20VVso~VccVss~5V

3.工作原理IR2130的原理框图见图12-42。从图可显见，在它的内部集成有一个电流比较器CC、一个电流放大器CA、一个自身工作电源欠电压检测器UVD、一个故障逻辑处理单元FL、及一个封锁逻辑CL,除上述外，它的内部还集成有三个输入信号处理器1SG、三个脉冲处理和电平移位器PGLS、三个高压侧驱动信号锁存器LT、三个高压侧驱动信号的欠电压检测器UVDR及六个低阻抗输出驱动器DR和一个或门电路OR。

IR2130的工作原理简析如下：正常工作时，当外部电路不发生过电流、直通故障，且IR2130的工作电源Vcc不欠电压，以及脉冲处理和电平移位器PGLS输出的高压侧栅极驱动信号不发生欠电压情况时，则从封锁逻辑CL故障逻辑处理单元FL及欠电压检测器UVD和UVDR来的封锁信号均为无效。从脉冲形成部分来的六路脉冲信号，经三个输入信号处理器，按真值表处理之后，变为六路输出脉冲，其对应的驱动三路低压侧功率MOS管的信号，经三路输出驱动器功率放大后，直接送往被驱动功率MOS器件的栅源极。而另外三路高压侧驱动信号H1、H2、H3先经集成于IR2130内部的三个脉冲处理和电平移位器PGLS中的自举电路进行电位变换，变为三路电位悬浮的驱动脉冲，再经对应的三路输出锁存器锁存，井经严格的驱动脉冲欠电压与否检验之后，送到输出驱动器进行功率放大，最后才加到被驱动的功率MOS器件的栅源极。一旦外电路发生过电流或直通，即电流检测单元送出的信号高于0.5V时，则IR2130内部的比较器CC迅速翻转，促使故障逻辑处理单元FL输出低电平，一则封锁三路输入脉冲处理器ISG的输出，使IR2130的输出全为低电平，保证六个被驱动的功率MOS器件的栅源极迅速反偏而全部截止，保护功率管；另一方面，经IR2130的8脚输出信号，封锁脉冲形成部分的输出或给出声光报警。若发生IR2130的工作电源欠电压，则欠电压检测器UVD迅速翻转，同以上的分析一样，可得到被驱动MOS功率器件全部截止而得到可靠保护，并从8脚得到故障信号的结果。

再有当IR2130因某种原因驱动高压侧功率管的某路自举电-源工作电压不足时，则该路的驱动信号检测器UVDR迅速动作，封锁该路的输出，保护该路所驱动的功率MOS器件不因驱动信号幅值不足而损坏。还有，当用户脉冲形成环节输出发生故障，IR2130接收到变流器中同一桥臂上、下主开关功率器件的栅极驱动信号都为高电平时，则内部的巧妙设计可保证该通道实际输出的两路栅极驱动信号全为低电平，从而可靠地保护该桥臂上的两个功率MOS器件，防止驱动信号有误而引起的直通现象的发生。

4.应用注意事项IR2130独特的设计使其可方便地用来驱动三相全桥或其他拓扑结构电路中的六个N沟道功率MOSFET或IGBT,由于应用场合多为高频领域，加之IR2130的电源设计为单电源工作，故在实际应用中应注意许多问题，概括来讲有以下几点：

(1)因IR2130内部的三路驱动高压侧功率MOS器件的输出驱动器的电源是通过自举技术来获得的，所以连接到固定电源的二极管其反向耐压必须大于被驱动的功率MOS器件工作的主电路中的峰值母线电压，且为了防止自举电容两端电压的放电，二极管应选高频快恢复二极管。另一方面，自举电容的容量取决于被驱动的功率MOS器件的开关频率、导通关断的占空比及栅极电容充电电流的需要。为防止自举电容放电造成其两端电压低于欠电压保护动作的门槛电压值，电容的取值应充分大，当被驱动的功率MOS器件的开关频率大于5kHz时，该电容值应不小于0.1μF,且以瓷片电容为好。

(2)为满足自举电容充电及电容负载接通与断开的需要，通常应在IR2130的Vcc端与Vss端并接其位置尽可能靠近IR2130的钽电容，该电容的容量应为自举电容的10倍以上，为减少栅极驱动回路中电感的影响，每一个高压侧驱动器的自举电容应直接接于其相应的VB与Vs端之间。

(3)IR2130的静态功耗为40mW,在环境温度为25℃时，它可承受1W的功耗。IR2130的8脚是故障输出端，内部电路结构使该脚连接在一个源极接于Vss(12脚)而漏极开路的MOS管上，因该MOS管内部的二极管具有负的温度系数，这相当于IR2130内部集成着一个温度计，故可以向8脚输入ImA的电流来测试芯片的温度。

(4)由于应用中，IR2130是用户逻辑部分与功率变换部分的接口，故应用中，逻辑信号地线与主功率电源的地线应合理布置，为减少交叉干扰，既要避免因布线原因引起的负载电流在信号回路中流动引起的共模干扰，还应使负载回路的引线尽可能的短，以减少回路电感，同时还应在大电流母线的开关点上增加必要的去耦来减少电感引起的尖峰电压，再有还应在高dv/de点与低压信号电路间增加足够的屏蔽，以及设计系统中的控制变压器、线圈之间与铁心之间的电压梯度应取尽量小的值、以避免分布电容引起的耦合电流流入敏感的信号电路。

(5)应用中还应注意的另一个问题是，保持功率MOS开关器件集射极(或漏源极、阳阴极)间的电压上升率尽可能小，这样既可减少主电路母线上的尖峰电压，还可保持整个系统的效率。

(6)当IR2130与被驱动的功率MOS器件之间的距离较远(如超过150mm时),IR2130输出到被驱动的功率MOS器件栅射极(或栅源极、栅阴极)之间的引线应采用绞线与同轴电缆屏蔽线。

(7)由于IR2130内部的六个驱动器输出阻抗较低，直接应用它来驱动功率MOS器件会引起被驱动的功率MOS器件的快速开通和关断，这有可能造成被驱动功率MOS器件漏源极间电压的振荡。这样，一则会引起射频干扰；二则有可能造成功率MOS器件遭受过高的dv/dt而击穿损坏。为避免此现象的发生，通常可在被驱动的功率MOS器件栅极与IR2130的输出之间串联一个15～220、功率为1/4W的无感电阻(对电流容量较小的功率MOS器件，该电阻值可增加到30～500)。

(8)在IR2130用于电动机调速系统中时，由于负载电感较大，当变流器中的某个主功率MOS开关器件关断时，负载电流会通过逆变桥中与主功率开关器件并联的二极管续流，若在这时与续流二极管同桥臂的另一个主功率MOS器件驱动导通，则在该续流二极管反向恢复关断的时间内将会有一宽度很窄而幅值很大的短路电流通过该桥臂，同样这将产生射频干扰，并引起该桥臂两个功率MOS器件集射(或漏源、阳阴)极两端电压的振荡，导致过高的dv/dt损坏该功率MOS器件。解决这一问题的方法，同样是在被驱动的功率MOS器件的栅极串联一合适的无感电阻。

5.应用举例IR2130的上述优点使它可方便地用于直流斩波调速、直流伺服系统、三相变频电源、功率开关电源以及变频电源、不间断电源(UPS)和交流调速系统中，限于篇幅仅举三例说明其应用。

(1)在六阶梯波三相固定频率输出电源系统中应用：图12-43

给出了一个典型的三相固定频率输出电源的原理图。图中，IR2130自身工作的电源来自7805三端稳压器，其输入脉冲来自74175N六分频器，而555非稳态多谐振荡器用作固定频率发生器，它输出六倍输出频率的固定频率。显而易见，图中应用分流器来测取负载电流的大小，且IR2130输出的故障信号直接用来驱动发光二极管进行故障显示。该电源可用来进行功率试验，并可用来把工频交流电变为60Hz交流电作为兵工、航天系统实验室中的供电电源。

(2)在1kW高压汞灯镇流器系统中应用：图12-44给出了IR2130用于一个1kW高压汞灯镇流器系统的原理图。图中，IR2130不仅用来驱动一个单相全桥逆变器中的四个IGBT管，而且也用来驱动高压侧的斩波器，三相交流输入经不控整流后变为510V直流电压，经此斩波器斩波并滤波后提供给后续电路，单相逆变器的输出直接驱动1kW灯泡。该系统中，IGBT的工作频率均为25kHz,由于正常工作时高压汞灯需要恒流源，故UC3843PWM集成电路工作为电流型，图中，场效应晶体管VF₁是为了满足IR2130的负逻辑工作需要而添加的。该系统中，因斩波后的滤波电容仅为1μF,所以全桥逆变器的输入电压实际的占空比为50%的方波。这样带来的一个很大优点在于，虽然IR2130内部的最大互锁时间仅为2μs,即使发生瞬时负载短路，也因主电路工作为恒流源而不致烧功率IGBT。

(3)与单片机及SLE4520相结合，在三相电动机变频调速系统中的应用：由于SLE4520可通过改变其内部的四位分频控制器的分频系数而改变其输出SPWM脉冲的频率，因此其与IR2130相结合可方便地用于工频或中频及高频电动机变频调速系统中。在这些系统中，主电路开关器件可为功率MOSFET,亦可为功率IGBT、MCT等。图12-45给出了以单片机最小系统作为SLE4520三相高频SPWM集成块的外围支持来产生六路SPWM脉冲波，而由IR2130完成三相逆变器中六个主功率IGBT驱动的三相电动机变频调速系统的原理图，图中，HL为霍尔电流传感器，它把

检测到的过电流或短路电流信号提供给IR2130内部的比较器使之翻转输出故障信号，既可用来封锁SLE4520的输出，又向单片机申请中断，单片机响应后即进行中断处理，并完成相应的操作。