IR211X系列驱动器的应用试析

 在驱动MOSFET和IGBT电压型功率器件的众多集成驱动芯片中，IR211X系列驱动器无疑具有相当的优势，它是双通道高压(500/600V)、高速(500kHz)电压型功率开关器件栅极驱动器，具有自举浮动电源，驱动电路非常简单，只用一路电源就可同时驱动上、下桥臂。但IR211X系列芯片有它本身的缺陷，笔者根据实践经验，就它应用方面的注意事项尝试性地作了总结和分析，并给出了参考的解决措施。

1 IR211X主要功能及技术参数

IR211X系列驱动器的内部结构框图如图1所示。

图1 IR211X驱动器内部逻辑框图

IR211X系列驱动器是高压，高速功率MOSFET和IGBT驱动器。输入逻辑电路与TTL/COMS兼容。由滞后0.1×的CMOS施密特触发器构成，提高了边沿触发输入波形的适应性和抗干扰能力。输入的逻辑信号通过电平转换电路对应连接到相互独立的高、低输出通道上，图腾柱式输出。这两个输出通道都带有滞后欠压锁定功能。 

电源地(COM)和逻辑地()之间设有±5V的额定偏移量，并且能够屏蔽小于50ns的脉冲。大大减小了输出驱动开关感应噪声对逻辑电路的影响。

IR211X 系列中各驱动器的差异不大。IR2110能驱动500V主电路系统，IR2113(S)/IR2112(S)是600V；而驱动峰值电流稍有不同，IR2110/IR2113(S)是+2A/-2A，IR2112(S)是+200mA/-420mA；传输延迟上稍有差别，IR2110/IR2113(S)是10ns，IR2112(S)是30ns；导通、关断延时均在百ns左右[1]。可根据实际应用选择相应型号的驱动器。

2典型电路应用及注意事项

2.1门(栅)极电阻

如图2所示，对IGBT的影响，具体如下:处于关断状态下的IGBT，由于其反并联二极管的恢复过程，将承受C-E电压的急剧上升。此时通常会比IGBT关断时的上升率高，由于密勒效应，此在集电极C和栅极G间电容内产生电流，流向栅极G。虽然在关断状态下栅极电压为零，由于栅极电路的阻抗，电流流过该阻抗产生电压，比较恶劣情况，该电压达到阈值电压，IGBT将被开通，导致上、下桥臂导通[2]

图2 对IGBT的影响

有人采用在栅极驱动电阻上反并联一个二极管来解决，但在大功率情况下效果不太明显。文献[2]甚至给出了具体的箝位电路。

然而笔者在实际应用中，发现只要在IGBT的GE端并联一个较大的电阻即可解决问题。一般情况下比较小，的值选在1500-2000之间。例如，如果值为120Ω，则可选220kΩ。

2.2负偏压产生电路

IR211X系列驱动器的一个显著缺陷是不能产生负压，因而不能保证开关管的可靠关断。一些文献(如文献[2])也给出了具体的负偏压产生电路。

   笔者认为额外增加负压产生电路反而有可能对整体电路的稳定性产生影响。笔者在实际应用中(例如IGBT：IRG4PC50S；MOSFET：IRFP460)未曾特别设计负偏压产生电路，因为新近的开关管都已经优化升级，只要给定参考输入，它们就能够可靠关断。设计者的精力可更多放在如何产生稳定可靠的门极控制信号上。

2.3死区时间调整

在IR211X系列芯片资料中有延迟匹配(MT-Delay Matching)，为10-30ns不等,该参数的设置是为了防止驱动的上、下桥臂共通而发生短路，引起驱动器损坏。在实践中，这个参数可能需要调整，但是本身无法更改，因此只能在其外部电路上采取措施，例如输入端(HIN和LIN端)。

笔者推荐一种简单易行的方法,如图3所示

图3 IR211X 调整死区时间的典型应用

其工作原理：图3中Q+和Q-端是PWM发生器互补的输出端，HIN和LIN端是IR211X 系列控制器的输入端。当Q+端高电平时，需要通过电阻R1对电容C1充电，HIN端电压缓慢上升；同时Q-端低电平，LIN端电容C2上电荷通过二极管D2迅速释放，电压迅速下降，这样HIN和LIN端之间形成一定死区时间，反之亦然。实际中电阻推荐采用KΩ级别的，电容采用nF级别的。以此根据实际应用需求可以灵活解决IR211X系列驱动器死区时间不可调的缺陷。

2.4自举电路

IR211X系列驱动器的一个显著优点，即具有悬浮驱动电源，它使得设计变得简单，不用额外再设计一组供电电源。如图4所示，，和组成自举电路。

图4 IR211X自举电路的典型应用

自举电路实现公共电源供电方案仅仅适用于具有脉冲型栅流的器件(如MOSFET和IGBT等电压型控制器件)。关于自举电路参数的计算和选取见参考文献[3]：

自举电容需要提供的最小电荷量

 （1）

其中是上桥臂器件的栅极电荷；是工作频率；是自举电容漏电流；为每个工作周期内，电平转换电路的电荷要求。为保证一定的裕量，自举电容的电荷选择为其最小值的2倍，如下；

 (2)

其中为自举二极管的正向压降；是自举电阻压降；是下桥臂的开关器件压降；是和之间的最小电压。

自举二极管的选择；

=主电路端电压         (3)

=100ns                (4)

=                 (5)

其中是反向耐压；是最大反向恢复时间；为额定电流

自举电阻的选取：自举电阻能对自举电容的充电过程进行缓冲，避免过充。该电阻的选取应该保证的值大于芯片的传输延时MT，即

             (6)

对于IR2110和IR2113(S)是10ns，IR2112(S)是30ns[1]，一般情况下远大于MT。在特殊应用场合应该考虑与电路工作频率的关系。

笔者在某用中驱动IGBT：IRG4PC50S，电容选用两个1uF，耐压25V的电容；电阻选用10Ω；二极管选用了MURS160T3，运行相对稳定。

2.5 端负压产生问题

IR211X系列驱动器的端如果产生了负压，后果会比较严重。它会对开关管，自举电路，以及驱动器本身产生影响，甚至导致驱动器损毁。

关于引脚上的瞬间负偏压产生原因以及锁定机理，文献[3]、[4]中有详尽叙述，如图5所示，现简述如下： 

和位于直流通路上，是由IGBT和退耦电容之间的导线电感引起的；和位于交流通路上，是由IGBT之间的导线电感引起的[4]。

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