功率驱动器IR2110自举电路分析及应用

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032）

1 引言

IR2110功率驱动器在开关电源和电机控制调速等需要中小功率能量转换场合中使用广泛[1]。IR2110可使电路系统体积得到有效精简、响应速度快、可耐受600V电压、驱动输出电流2A、带有欠压锁定功能并且有端口可外接过流检测电路[2]。其承受高压的高边外围电路采用自举方式，可有效减少电源路数[3]。但IR2110若设计疏于考虑，自举外围电路参数选取不当容易影响系统工作稳定性甚至损坏系统。因此结合实际项目经验介绍其功能、自举电路参数选择和在电机调速系统中的应用。

2 IR2110功能介绍

IR2110是一种高电压的高速大功率MOSFET和IGBT驱动器，带有独立的高边和低边输出沟道[4]。具有专利高压集成电路和可避免闩锁CMOS技术的单片结构。逻辑输入兼容标准的CMOS和LSTTL输出[5]。输出驱动器具有为了最小化驱动器的交叉传导所设计的死区时间。为了简化在高频应用中的使用方式，匹配了传输延迟。浮动的沟道可用于驱动N沟道功率MOSFET或者IGBT，在高边结构中操作电压可达到600V。表1所示为IR2110引脚功能表。

3 自举原理介绍

IR2110的自举电路可提供电荷驱动对应功率管并提升相应点的电压，电路由一个自举电容和二极管构成，在结构中对其有严格要求[6]。如图1所示为驱动芯片自举电路示意图，图中由C1和D1构成自举电路。若元气件选取不当会对输出电压产生影响，降低系统稳定性。需根据应用情况计算器件参数进行合理选取。在图1中C1为自举电容，D1为自举二极管，C2是低压电源VCC（15V）的滤波电容。

表1 IR2110引脚功能表

当LO为高电平，低边功率管S2导通，半桥输出为0V低电平。低电压电源VCC通过通过自举二极管D1向自举电容C1充电。VCC、D1、C1和S2构成充电回路，如图2（a）所示。LO与HO是互补输出，HO经过适当的死区时间变为低电平，高边功率管S1断开。

根据应用电路中功率管参数，计算出C1大小后，若C1电压达到VCC电压，使LO输出低电平，S2断开。此时与LO互补的HO经过适当的死区时间变为高电平，片内MOS管VM1导通，VM2断开，C1电容电压通过VM1和R1加在高边功率管S1栅级上，S1导通，如图2（b）所示。半桥输出为高电平，此时VB端电压为高压VH与自举电容电压之和。

当HO转为低电平时，VM2导通，与HO互补的LO经过适当的死区时间变为高电平，S2导通接地。S1栅极电荷经过R1和VM2快速放电，S1关断。VCC、D1、C1和S2再次构成充电回路为自举电容充电，循环往复。

图1 IR2110自举电路示意图

图2 自举电容充放电回路示意图

4 自举电路参数分析

4.1 自举电容值的计算

MOSFET工作在线性开关状态，需要给对应的栅极提供一定能量保证其完成高频率的通断工作。假设功率管导通后，C1两端电压与功率管完全导通电压（10V）相比要高，C1充电回路上共有1.5V的压降（包括自举二极管正向压降）。并假设一半的栅极电压由于漏电流产生压降（栅极阈值VTH一般为3-5V）。则自举电容值可表示为：

其中Qg为功率管完全导通需要的电荷量。如IRF2807的栅电荷是160nC（由其电特性表得出），低边电源电压VCC为15V，则有：

这样自举电容最小值约为0.1μF，应用中也可以选择大一些的电容值如0.22μF，需注意要选择耐压值高的器件。

4.2 高边功率管导通时间ton(max)与ton(min)

高边功率管S1在整个导通时间内，自举电容都要符合式 (1)的关系式来保证S1的栅级电荷量足够。场效应管的栅极输入阻抗很高，假设栅极在电源电压为15V时的漏电流为15μA，此漏电流是从自举电容中抽出的。若以文中的C1参数计算：

其中Qg为功率管栅电荷，ΔU为C1充电时两端电压，Qa为C1上存储的可用电荷，ΔQ为功率管栅极放电后C1上的过剩电荷量，ΔUC为功率管栅极放电后C1两端电压。R是S1栅极输入阻抗为1 MΩ，即可得出 ton(max)为 53.8ms。

在C1的充电回路上，功率管中的分布电感会对充电速度产生影响。低边S2管的ton(min)应保证C1上充满一定的电荷量QC1，QC1应满足功率管S1栅级所需要的电荷加上其漏电流损失的电荷量。在实际应用时要综合考虑，在高占空比的场合C1应选小一些，不然在一定时间内不能充满，但也不能过小。

4.3 自举二极管

在自举电路中的D1应在高边S1导通时承受输入的高压VH起到阻断作用，并降低C1到低电源电压VCC的反向电荷，选择FRD型二级管，其反向漏电流越小可降低电荷损失[7]。D1上流过的电流IF可表示为：

其中Qg为功率管栅电荷，f为开关频率。D1耐压值的选取应按照功率管的要求决定，最大恢复时间要不大于100ns。

5 IR2110应用示例

图3所示为直流电调速系统框图，由一个可变电阻产生速度电压信号，由PWM系统产生两路脉冲信号控制驱动器，增加光耦隔离阻断高低压之间的干扰[8]。传感器将电机转速传递给F/V变换器将电压信号反馈给控制器实现闭环调节电机转速。

图3 电机调速系统框图

系统中选择两片IR2110驱动直流电机，电路图如图4所示。选择IRF450组成全桥驱动电机，PWM控制器输出的两路脉冲信号分别传送给HIN和LIN，四个功率管按照电平脉冲导通关断完成电机的驱动。

图4 IR2110驱动电路

低电源电压为15V，根据自举电路参数的分析，自举二极管选择FR307，其耐压值高于高边电压峰值[9]。自举电容选择0.1μF独石电容，其容量稳定精确、体积小、可靠性高且频率和温度特性十分稳定[10]。自举电容上的电压要大于2110欠压闭锁电压值的最大值。在低边电源电压和公共端间、逻辑电源电压和逻辑电路地间加入旁路电容，去掉电源中的高频扰动。2110低边和高边输出阻抗小，与此连接的功率管会快速的开启和关断，由于速度过快可能产生功率管输出电压的振荡或过冲影响系统稳定性。为解决上述问题在HO和LO与功率管之间加入22Ω电阻和反向二极管作为过冲保护。

6 结束语

IR2110是一款性能优良的驱动芯片，其响应速度快、可耐受600V电压。其承受高压的高边外围电路采用自举方式，可有效减少电源路数。在开关电源和电机控制调速等需要中小功率能量转换场合中使用广泛。文中详细介绍了高边自举结构的工作过程。得出自举电容最小值为0.1μF，若MOS管选取IRF2807时得出最大导通时间为53.8ms。并给出自举二极管的选择条件。举例IR2110在直流电机调速中的应用。