IR2130驱动芯片特点及其在电机驱动中的应用

1 前言

　　IR公司推出的IR21xx系列集成芯片是MOS、IGBT功率器件专用栅极驱动芯片，通过自举电路工作原理，使其既能驱动桥式电路中低压侧的功率器件，又能驱动高压侧的功率元件，因而在电机控制、伺服驱动、UPS电源等方面得到广泛应用。这些器件集成了特有的负电压免疫电路，提高了系统耐用性和可靠性，有些器件不仅有过流、过温检测输入等功能，还具有欠压锁定保护、集成死区时间保护、击穿保护、关断输入、错误诊断输出等功能。

2 IR2130芯片特点

　　IR2130是600V以下高压集成驱动器件，它具有六路输入信号和六路输出信号，且只需一个供电电源即可驱动三相桥式逆变电路的6个功率开关器件，一片IR2130可替代3片IR2110,使整个驱动电路更加简单可靠。

　　IR2130芯片具有以下一些特点：

　　（1）可直接驱动高达600V电压的高压系统，输出端具有dV/dt抑制功能;

　　（2）最大正向峰值驱动电流为250mA，反向峰值驱动电流为500mA;

　　（3）具有电流放大和过电流保护功能，同时关断六路输出;

　　（4）自动产生成上、下侧驱动所必需的死区时间（2.5μs）;

　　（5）具有欠压锁定功能并能及时关断六路输出;

　　（6）2.5V逻辑信号输入兼容。

　　IR2130的内部结构如图1所示,引脚定义VCC为输入电源, HIN1、HIN2、HIN3、LIN1、LIN2、LIN3为输入端,FALUT为故障输出端, ITRIP为电流比较器输入端，CAO为电流放大器输出端, CA-为电流放大器反向输入端,VSS为电源地,VSD为驱动输出地,L01、L02、L03为三路低侧输出,VB1、VB2、VB3为三路高侧电源端，HO1、HO2、HO3为三路高侧输出端，VS1、VS2、VS3为高端侧电源地。

　　正常工作时,输入的6 路逻辑控制信号经内部的3个输入信号处理器处理,下桥臂信号L1-L3经输出驱动器功放后,直接送往被驱动功率器件。而上桥臂功率管的信号H1-H3先经集成于IR2130内部的3 个电平移位器中的自举电路进行电位变换, 变为3 路电位悬浮的驱动信号, 再经对应的3路输出锁存器锁存并经严格的电压检验之后, 送到输出驱动器后才加到被驱动的功率管。

　　当外部电流发生过流时，电流检测单元送来的信号高于内部给定电压0.5V，IR2130内部的电流比较器迅速翻转,使故障逻辑处理单元输出低电平，快速封锁3路输入脉冲信号处理器的输出，使IR2130的输出全为低电平，保护功率管;同时IR2130的FAULT脚电平拉低，输出故障指示。若发生工作电源欠压，则欠压检测器迅速翻转，也会进行类似动作。发生故障后，IR2130内的故障逻辑处理单元的输出将保持故障闭锁状态，直到故障清除。在信号输入端LIN1-LIN3同时被输入高电平时，才可以解除故障闭锁状态。

3 IR2130在电机驱动中的应用

　　本文将IR2130作为信号的前级驱动，将其应用在三相混合式步进电机驱动系统中做驱动信号的转换。三相逆变桥中的一个桥的典型连接如图2所示，系统主供电电压为220VAC，经整流滤波得到的近310V的直流母线电压，图中C1是自举电容，为上桥臂功率管驱动的悬浮电源存储能量，当开关频率大于5kHz 时, 该电容值应不小于0.1UF, 且选低漏电流的瓷片电容为好;D1为自举二极管，其作用是防止上桥臂导通时的直流电压母线电压加到IR2130的电源上而使器件损坏，因此D1应有足够的反向耐压，为了满足主电路功率管开关频率的要求，D1还应选超快速恢复型二极管。R1和R2是IGBT的栅极限流电阻, 一般可采用十几到几十欧。不同电阻值对IGBT的动态特性将产生极大的影响，数值较小的栅极电阻使栅极电容充放电较快，但同时它只能承受较小的栅极噪声，并导致栅极-发射极之间电容同驱动电路引线的寄生电感产生振荡问题。不同电流容量的IGBT器件的栅极限流电阻有不同的取值 ,功率越大的管子栅极电阻应越小。

　　驱动系统通过IR2130将电机控制PWM信号，经三相半桥逆变电路后驱动电机,实现了电机电流调节，结果如图3所示，通道1为给定电流，通道2为实际输出电流，从结果上看，电流波形和给定电流基本吻合（由于控制的需要，给定与实际电流的相位相反）。

4 IR2130使用注意事项

　　首先IR2130在使用上要注意以下几点：

　　（1）由于IR2130的电流检测输入端直接与主电路连接,很容易引入干抗，因此电流检测电阻应采用无感电阻。

　　（2）由于IR2130 采用了不隔离的驱动方式,若主电路功率器件损坏,高压将直接串入IR2130，引起IR2130永久性损坏, 严重时还会将IR2130 前级电路击穿。所以当IR2130的输入信号来自微处理器时必须采取隔离措施[3]。

　　其次由IR2130组成的自举电路各个参数的选择要注意，特别是自举电容和自举二极管，栅极电阻也是必须要考虑的因素之一。PCB的布局和布线上也有严格要求，如何减小自举电路上由于引脚连接和PCB引线上产生的电感，可从以下几个方面考虑：

　　（1）使用宽线直接连接两个功率器件，不要有环路和远离;

　　（2）单点连接IR213O的地和功率地，同时考虑功率地和逻辑地的单点连接;

　　（3）IR2130距离功率器件越近越好，自举电容尽量靠近驱动IC;

5 结语

　　本文介绍了IR2130芯片的特点，并成功将其应用在三相混合式步进电机驱动系统中, 通过样机测试及实际现场使用，结果都表明该驱动电路工作十分可靠，还可地实现短路、过流、欠压等故障保护。