高頻隔離驅(qū)動(dòng)電路

一、方案論證

?????? 由MS430單片機(jī)編程產(chǎn)生頻率范圍為10KHz~40KHz兩路反相PWM信號(hào)，將這兩路信號(hào)送入光耦隔離電路，進(jìn)行隔離保護(hù)，再將保護(hù)后的信號(hào)送到H型橋式電路，橋式電路由4個(gè)功率場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成。

二、原理分析

?????? 單片機(jī)編程產(chǎn)生頻率范圍為10KHz~40KHz兩路反相PWM信號(hào)，可由單片機(jī)中的Timer-A模塊，寫入其中的控制字即可產(chǎn)生信號(hào)。

?????? 光耦電路由芯片2501構(gòu)成，其引腳圖如圖1所示。

圖1

?????? H型橋式電路由芯片IR2111構(gòu)成，其引腳圖如圖2所示。

圖2

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IR2111芯片的典型應(yīng)用原理圖3：

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圖3

?????? IR2111 是功率MOSFET 和IGBT 專用柵極驅(qū)動(dòng)集成電路, 可用來(lái)驅(qū)動(dòng)工作在母線壓高達(dá)600V 的電路中的N溝道功率MOS 器件。采用一片IR 2111 可完成兩個(gè)功率元件的驅(qū)動(dòng)任務(wù), 其內(nèi)部采用自舉技術(shù), 使得功率元件的驅(qū)動(dòng)電路僅需一個(gè)輸入級(jí)直流電源; 可實(shí)現(xiàn)對(duì)功率MOSFET和IGBT 的最優(yōu)驅(qū)動(dòng), 還具有完善的保護(hù)功能。

? ?????圖3中上管是指接到高電壓端的N 溝道MOSFET 或IGBT,注意應(yīng)外接或內(nèi)置保護(hù)、續(xù)流二極管, 下管是指接到低電壓端的MOSFET 或IGBT。Vcc 是給IR2111 供電的電源, 以15V 為最佳。Vcc 降低至10V, IR2111 也能工作, 但會(huì)增加MOSFET 或IGBT的開(kāi)關(guān)損耗。

IN 是控制信號(hào)的輸入端, 輸入等效電阻很高, 可直接連接來(lái)自微處理器、光耦或其它控制電路發(fā)出的信號(hào)。邏輯輸入信號(hào)與CMOS 電平兼容, 在Vcc 是15V 時(shí), 0～6V的電壓為邏輯0; 6.4～15V 的電壓為邏輯1。輸入端電壓為邏輯1 時(shí), IR2111 輸出端HO 輸出高電平, 驅(qū)動(dòng)上管; 輸出端LO 輸出低電平, 關(guān)閉下管。輸入端電壓為邏輯0 時(shí),情況正好相反。IR2111 內(nèi)部設(shè)置了650ns 的死區(qū)時(shí)間(Deadtime) , 可防止上下管直接導(dǎo)通造成短路事故。

COM是接地端, 直接和下管MOSFET的源極S或IGBT的發(fā)射極E相連。

HO、LO 分別是上、下管控制邏輯輸出端, 邏輯正時(shí)輸出典型電流為250mA, 邏輯正時(shí)輸出典型電流為500mA, 輸出延遲時(shí)間不會(huì)超過(guò)130ns。

Vb 是為高壓側(cè)懸浮電源端, Vs 是高壓側(cè)懸浮地, 它們的電位會(huì)隨上管的導(dǎo)通截止而變化, 變化幅度可高達(dá)近600V。

上、下管電容里存儲(chǔ)的電荷, 用來(lái)快速導(dǎo)通上、下功率管, 一般使用0.47μF 以上的非電解電容。上管電容的充電是在下管導(dǎo)通或負(fù)載有電流流過(guò)時(shí)自行完成的, 也稱自舉電容。充電回路是Vcc→上管電容充電二極管→上管電容→下管或負(fù)載→COM?？刂菩盘?hào)長(zhǎng)時(shí)間的為邏輯1,會(huì)導(dǎo)致上管電容的電荷用盡而截止上管, 因此控制信號(hào)的占空比不能為100%。

上管電容充電二極管用來(lái)防止上管導(dǎo)通時(shí), 高壓電竄入Vcc 端損壞低壓器件, 也稱自舉二極管。在高端器件開(kāi)通時(shí), 自舉二極管必須能夠阻止高壓, 并且應(yīng)是快恢復(fù)二極管, 以減小從自舉電容向電源Vcc 的回饋電荷。其反向耐壓應(yīng)大于功率端電壓, 恢復(fù)時(shí)間應(yīng)小于100ns。

上、下管保護(hù)電阻的作用, 是通過(guò)其延緩功率管極間電容的沖、放電速度, 從而降低不必要的高開(kāi)關(guān)速度, 起到保護(hù)功率管的作用, 一般阻值在幾個(gè)到幾十個(gè)歐姆。

三、原理電路

高頻隔離驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖4所示

圖4

? 利用MSP430產(chǎn)生兩路反相PWM信號(hào)，程序如下所示。

??????? #include "msp430x16x.h"

void main( void )

{

? ?????????WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD;

? ?????????TACTL=TASSEL_2+TACLR+TAIE;

????? ?????DCOCTL=DCO0+DCO1+DCO2;

? ?????????BCSCTL1=RSEL2+RSEL1+RSEL0;

? ?????????CCR0=256-1;

????? ?????CCTL1=OUTMOD_7;

? ?????????CCR1=128;

?? ????????P1DIR |=0x01;

? ?????????P1SEL |=0x01;

? ?????????CCTL2=OUTMOD_7;

? ?????????CCR2=128;

? ?????????P1DIR |=0X02;

? ?????????P1SEL |=0x02;

? ?????????P1OUT ^=0X02;

? ?????????TACTL |=MC0;

? ?????????for(;;)

?????????? ?{

??? ??????????_BIS_SR(LPM3_bits);

??? ??????????_NOP();

??? ????????}?

}

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四 參數(shù)分析及計(jì)算

1、負(fù)載功率計(jì)算：

由該H型驅(qū)動(dòng)電路的工作原理可得，對(duì)于電阻性負(fù)載，當(dāng)主電路供電電壓為 ，其功率大小如下：

根據(jù)電阻要求R=36 ，功率為10w，可以得出主電路的電壓為19V.

2、功率效應(yīng)管的開(kāi)啟電壓大于零，選電阻為100 。

3、由于光耦隔離芯片的驅(qū)動(dòng)電流要10mA ，選擇電阻為200 。

五 測(cè)試方案及步驟（含儀器設(shè)備）

? 1）測(cè)試單片機(jī)msp430的引腳輸出的PWM的波形；

? 2）測(cè)試光耦隔離驅(qū)動(dòng)前的波形；

? 3）測(cè)試光耦隔離驅(qū)動(dòng)后的波形。

六 測(cè)試結(jié)果記錄

1）、單片機(jī)輸出波形如圖5所示。

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圖5

?2）、光耦后的輸出波形如圖6所示

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圖6

3）、IR2111輸?shù)牟ㄐ稳鐖D7所示。

圖7

?4）、負(fù)載兩端電壓波形如圖8所示。

圖8

七 測(cè)試結(jié)果分析（包過(guò)誤差分析）

?? 測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)輸出的波形不是方波，原因是經(jīng)過(guò)光耦隔離是發(fā)生了變化，由于芯片C501的功能驅(qū)動(dòng)電流要10mA,我們選的電阻為200 。由于電阻的選擇波形就發(fā)生了變化。

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八 設(shè)計(jì)總結(jié)（包過(guò)改進(jìn)方案）

由于單片機(jī)上的電壓很小，要經(jīng)過(guò)功率場(chǎng)效應(yīng)管工作時(shí)，必須加一節(jié)光耦電路，為起到很好的隔離作用，所以從單片機(jī)上輸出來(lái)的信號(hào)的“地”與從光耦電路出來(lái)的信號(hào)的“地“要分開(kāi)來(lái)接。

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九 元器件清單

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