采用IR21844的电机驱动控制系统的设计及技术参数
随着功率vmos器件以及绝缘栅双极晶体管(igbt)器件的广泛运用，更多场合使用vmos器件或igbt器件组成桥式电路，例如开关电源半桥变换器或全桥变换器、直流无刷电机的桥式驱动电路、步进电机驱动电路，以及逆变器的逆变电路。电动机应用的日益广泛，使其驱动控制的研究也越来越成为人们研究的热点。ir(inter—national rectifier)公司提供了多种桥式驱动集成电路芯片，本文介绍了ir21844功率驱动集成芯片在直流无刷电机的桥式驱动电路中的应用。
该芯片是一种双通道、栅极驱动、高压高速功率器件的单片式集成驱动模块，在芯片中采用了高度集成的电平转换技术，大大简化了逻辑电路对功率器件的控制要求，同时提高了驱动电路的可靠性。尤其是上管采用外部自举电容上电，使得驱动电源数目较其他ic驱动大大减少。对于典型的6管构成的三相桥式逆变器，采用3片ir21844驱动3个桥臂，仅需1路10～20 v电源。这样，在工程上大大减少了控制变压器的体积和电源数目，降低了产品成本，提高了系统可靠性。
1 ir21844主要特点及技术参数
ir21844集成驱动芯片与目前应用的集成驱动芯片相比，具有以下特点：
该芯片为标准14引脚单片式结构，图1为其引脚分布图； 设有悬浮截获电源可自举运行，其高端工作电压最高达600 v，抗du／dt干扰能力为50 v／ns，15 v时静态功耗为1．6 w； 输出栅极驱动电压范围较宽，为10～20 v； ir21844采用cmos工艺制作，逻辑电路和功率电路共用一个电源，电压范围为10～20 v，适应ttl或cmos逻辑信号输入； 采用cmos施密特触发输入，以提高电路抗干扰能力； 具有独立的高端和低端2个输出通道，两路通道均带有滞后欠压锁定功能； 容许逻辑电路参考地(vss)与功率电路参考地(com)之间有一5～+5 v的偏移量； 死区时间可调。 图1中，引脚1(in)是逻辑输入控制端；引脚6和12是2路独立的输出，分别是l0(低端输出)和h0(高端输出)；引脚7和13分别是vcc(低端电源电压)和vb(高端浮置电源电压)；引脚5(com)是低端电源公共端；引脚11和3分别是vs(高端浮置电源公共端)和vss(逻辑电路接地端)；引脚2(sd)是输出关闭控制端；引脚4(dt)是可调的死区时间输入端。
其推荐典型工作参数如表1所列，动态传输延迟时间参数如表2所列。
2 典型应用电路
图2为ir21844的典型应用电路。vcc接电源端，为逻辑部件和功率器件供电；in端接输入控制信号，一般接pwm信号；输出端ho和lo的波形分别与in端输入波形逻辑相同和相反，幅值有一定的放大(10～20 v)，输入／输出时序图如图3所示；sd端接低电平时，h0和lo正常输出，接高电平时，2个输出端被封锁；dt为死区时间调整端，因为桥式电路同一桥路的上下管不能同时导通，否则会造成管子短路，因此需要一个死区时间。由于h0和lo的输出逻辑相反，所以从逻辑上来说，不会造成直通，但是在换向的瞬间仍有可能造成直通。可在dt端外接一个电阻rdt，通过调整该电阻的阻值就可以调节死区时间；同时，开通延时时间为680 ns，大于关断延时时间的270 ns，从而避免桥路的直通，死区时间典型值为5μs(如表2所列)。
图2中，c2为自举电容。在t2导通、t1关断期间，vcc经d1、c1、负载、t2给c1充电，以确保当t2关断、t1导通时，t1管的栅极靠cl上足够的储能来驱动。这就是高端的自举供电。若负载阻抗较大，c2经负载降压充电较慢，使得t2关断、t1导通，c2上的电压仍充电不到自举电压8．3 v以上，那么输出驱动信号会因欠压被片内逻辑封锁，t1就无法正常工作。为此，c2的选择就显得很重要，一般用1个大电容和1个小电容并联使用，在频率为20 khz左右的工作状态下，选用1．0μf和0．1μf电容并联。并联高频小电容用来吸收高频毛刺干扰电压。驱动大容量的igbt时，在工作频率较低的情况下，要注意自举电容电压稳定性问题，上管的驱动波形峰顶如果出现下降的现象，则要选取大的电容。
显然每个周期t1开关一次，c2就通过t2开关充电一次，因此自举电容c2的充电还与输入信号in的pwm脉冲频率和脉冲宽度有关。当pwm工作频率过低时，若t1导通脉宽较窄，自举电压8．3 v容易满足；反之，无法实现自举。因此，要合理设置pwm开关频率和占空比调节范围，c2的容量选择考虑如下几点：
①pwm开关频率高，c2应选小电容。
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对于占空比调节较大的场合，特别是在高占空比时，t2导通时间较短，c2应选小电容。否则，在有限时间内无法达到自举电压。
④c2的选择应综合考虑pwm变化的各种情况，监测h()、vs脚波形进行调试是最好的方法。
根据表1，vb高于vs电压的最大值为20 v，为了避免vb过电压损坏ir21844，电路中增加了稳压二极管d1。电路中d2的功能是防止t1导通时高电压串入vcc端损坏该芯片，因此其耐压值必须高于总线峰值电压，故采用功耗小的快恢复二极管。与vcc端相连的电容c3是去耦电容，用于补偿电源线的电感。
3 场效应管驱动电路的改进
如图2所示，典型应用电路是由ir21844驱动2个n沟道mosfet管或igbt组成的半桥驱动电路。固定的栅极参考输出通道(l0)用于下端连接的功率场效应管t2，浮动的栅极输出通道(ho)用于上端连接的功率场效应管t1。
以驱动n沟道mosfet管为例来介绍。功率mos—fet是电压型驱动器件，没有少数载流子的存储效应，输入阻抗高，因而开关速度可以很高，驱动功率小，电路简单。但功率mosfet的极间电容较大，其等效电路如图4所示。
输入电容ciss、输出电容coss和反馈电容crss与极间电容的关系可表示为：
ir21844不能产生负偏压，如果用于驱动桥式电路，由于极间电容的存在，在开通和关断时刻，栅漏极间的电容cgd有充放电电流，容易在栅极上产生干扰。针对这一不足，可以在栅极限流电阻(r1和r2)上分别反并联一个二极管(d3和d4)来解决，该二极管可以加快极间电容上的电荷的放电速度。
功率器件的栅源极的驱动电压一般为cm()s电平(5～20 v)，因此要在栅极增加保护电路。电路中稳压二极管d5、d6限制了所加栅极电压，电阻r1、r2进行分压，同时也降低了栅极电压。
功率器件t1、t2在开关过程中会产生浪涌电压，这些浪涌电压会损坏元件，所以电路中采用稳压二极管d5、d6钳位浪涌电压。
4 扩展与总结
以上介绍的是ir21844用于驱动单相电路时的用法和注意事项，同样，该芯片完全可以用于驱动两相、三相或者多相电路。可将该电路进行复制，当然一些参数的确定还需要按照本文的分析和具体的实际情况而定。
由于该芯片只有一路输入，两路互补输出，非常适合用于驱动桥式电路；并且它的死区时间可以灵活调节，输出锁定端可以灵活用于电流的闭环控制，给控制的没计带来了很大的方便，因此在中小型功率领域应用比较广泛。
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其推荐典型工作参数如表1所列，动态传输延迟时间参数如表2所列。
2 典型应用电路
图2为ir21844的典型应用电路。vcc接电源端，为逻辑部件和功率器件供电；in端接输入控制信号，一般接pwm信号；输出端ho和lo的波形分别与in端输入波形逻辑相同和相反，幅值有一定的放大(10～20 v)，输入／输出时序图如图3所示；sd端接低电平时，h0和lo正常输出，接高电平时，2个输出端被封锁；dt为死区时间调整端，因为桥式电路同一桥路的上下管不能同时导通，否则会造成管子短路，因此需要一个死区时间。由于h0和lo的输出逻辑相反，所以从逻辑上来说，不会造成直通，但是在换向的瞬间仍有可能造成直通。可在dt端外接一个电阻rdt，通过调整该电阻的阻值就可以调节死区时间；同时，开通延时时间为680 ns，大于关断延时时间的270 ns，从而避免桥路的直通，死区时间典型值为5μs(如表2所列)。
图2中，c2为自举电容。在t2导通、t1关断期间，vcc经d1、c1、负载、t2给c1充电，以确保当t2关断、t1导通时，t1管的栅极靠cl上足够的储能来驱动。这就是高端的自举供电。若负载阻抗较大，c2经负载降压充电较慢，使得t2关断、t1导通，c2上的电压仍充电不到自举电压8．3 v以上，那么输出驱动信号会因欠压被片内逻辑封锁，t1就无法正常工作。为此，c2的选择就显得很重要，一般用1个大电容和1个小电容并联使用，在频率为20 khz左右的工作状态下，选用1．0μf和0．1μf电容并联。并联高频小电容用来吸收高频毛刺干扰电压。驱动大容量的igbt时，在工作频率较低的情况下，要注意自举电容电压稳定性问题，上管的驱动波形峰顶如果出现下降的现象，则要选取大的电容。
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