【導(dǎo)讀】在電機(jī)驅(qū)動(dòng)、逆變電源等應(yīng)用中,橋式電路是最基本的拓?fù)?,典型三相橋式逆變電路如下圖1所示。而橋式電路中的任一橋臂,其上下管一般采用180°導(dǎo)通方式,即上下管互補(bǔ)開(kāi)關(guān),為避免上下管直通,可采用插入死區(qū)的方式把上下管導(dǎo)通時(shí)刻錯(cuò)開(kāi)。但是,實(shí)際應(yīng)用中微控制器可能因?yàn)槌绦蝈e(cuò)亂或上電過(guò)程中IO默認(rèn)高電平等原因,使得上下管驅(qū)動(dòng)信號(hào)同時(shí)為高電平(有效電平),從而上下管發(fā)生同時(shí)導(dǎo)通(Shoot Through),這將可能帶來(lái)燒壞功率模塊的嚴(yán)重后果。Interlock即互鎖電路就是針對(duì)該工況而設(shè)計(jì)的,可有效提高系統(tǒng)可靠性。
圖1 三相橋式電路
約定HI,LI為高邊、低邊輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào),HO、LO為高邊、低邊輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào),有效信號(hào)均為高電平?;ユi邏輯為一旦HI、LI同時(shí)為高,HO、LO就會(huì)同時(shí)輸出低電平,真值表如下:
表1 互鎖真值表
由于實(shí)際應(yīng)用中,針對(duì)不同的應(yīng)用、不同的功率器件,會(huì)選用不同的驅(qū)動(dòng)器,如光耦驅(qū)動(dòng)器、半橋驅(qū)動(dòng)器以及集成驅(qū)動(dòng)的IPM等等,對(duì)應(yīng)的互鎖電路實(shí)現(xiàn)也不盡相同,因此這里針對(duì)這三種常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)器總結(jié)相對(duì)應(yīng)的互鎖電路。
1. 光耦(兼容)驅(qū)動(dòng)器
光耦驅(qū)動(dòng)器是十分經(jīng)典的驅(qū)動(dòng)器件,支持雙電源隔離驅(qū)動(dòng)的特性使其常用于IGBT的驅(qū)動(dòng)上。TI的UCC23513是典型的光耦兼容驅(qū)動(dòng)器,其輸入級(jí)為電子二極管,模擬傳統(tǒng)光耦的二極管輸入。該類(lèi)輸入為典型“差分”輸入級(jí),即輸出狀態(tài)取決于兩個(gè)輸入引腳(ANODE和CATHODE)的壓差,這種輸入級(jí)的互鎖電路比較容易實(shí)現(xiàn),如下電路所示,可以使用一級(jí)緩沖器比如SN74ACT244實(shí)現(xiàn)互鎖功能。
圖2 光耦驅(qū)動(dòng)器互鎖電路
具體的電路參數(shù)設(shè)計(jì)以及波形測(cè)試可以參考TIDA-010025和《Interlocking gate drivers for improving the robustness of three-phase inverters》,這里不再贅述。這種設(shè)計(jì)也適用于其他傳統(tǒng)的光耦驅(qū)動(dòng)器或是具有“差分”輸入級(jí)的驅(qū)動(dòng)器,如下左圖為ISO5451引腳分布圖,其輸入引腳為正反相邏輯輸入,同樣可以應(yīng)用上述電路,如下右圖所示。
圖3 (左)ISO5451引腳分布 (右)ISO5451互鎖電路
2. 半橋驅(qū)動(dòng)器
半橋驅(qū)動(dòng)器常用于MOSFET非隔離的驅(qū)動(dòng),LM5109B是一款典型的半橋驅(qū)動(dòng)器,其框圖如下:
圖4 半橋驅(qū)動(dòng)器
由于半橋驅(qū)動(dòng)器的輸入級(jí)是單端輸入,無(wú)法采用光耦驅(qū)動(dòng)器的互鎖電路。對(duì)于單端輸入,互鎖電路可以利用反向器、緩沖器以及與門(mén)實(shí)現(xiàn),框圖如下:
圖5 邏輯門(mén)互鎖電路
容易驗(yàn)證,上述組合電路滿(mǎn)足互鎖真值表,下圖為利用SN74ACT244(緩沖器)、SN74ACT240(反相器)和SN74ACT08組成的互鎖電路,電路由PSpice for TI搭建。
圖6 邏輯門(mén)互鎖電路實(shí)現(xiàn)
利用PSpice for TI進(jìn)行時(shí)序電路仿真,仿真結(jié)果如下圖,波形從上到下依次為HI/LI/HO/LO,可見(jiàn)仿真結(jié)果與分析相符。
圖7 邏輯門(mén)互鎖電路仿真結(jié)果
實(shí)際使用中,如果使用上述分立器件搭建互鎖電路,則需要占用較多的PCB面積,也額外增加了器件數(shù)量及成本。為此,德州儀器也提供了集成互鎖的半橋驅(qū)動(dòng)器,LM5108是其中的一款,其框圖如下:
圖8 集成互鎖的LM5108框圖
可見(jiàn),LM5108內(nèi)部同樣利用與門(mén)實(shí)現(xiàn)了互鎖邏輯,大大簡(jiǎn)化了外圍設(shè)計(jì)。
3. IPM集成功率模塊
在家電、中小功率變頻或伺服的場(chǎng)合,IPM集成功率模塊廣為應(yīng)用,一款I(lǐng)PM的框圖如下:
圖9 IPM典型框圖
IPM與半橋驅(qū)動(dòng)器一樣都是單端輸入,區(qū)別在于IPM常與光耦或數(shù)字隔離器組成隔離驅(qū)動(dòng)級(jí),因此,當(dāng)采用光耦作為隔離器件時(shí),可直接采用上述第一種光耦驅(qū)動(dòng)器互鎖電路。而當(dāng)采用數(shù)字隔離器作為隔離器件時(shí),則需要在數(shù)字隔離器后加一級(jí)分立互鎖電路,如下圖所示:
圖10 數(shù)字隔離器分立互鎖電路
針對(duì)這類(lèi)工況,為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì),德州儀器新推出了集成互鎖通道的ISO6760L,除了具有5kV等級(jí)增強(qiáng)型絕緣的優(yōu)秀隔離性能,內(nèi)部還集成了三對(duì)互鎖隔離通道, 非常適合IPM的隔離驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合,典型應(yīng)用框圖如下:
圖11集成互鎖的ISO6760L應(yīng)用框圖
本文針對(duì)橋式電路在不同驅(qū)動(dòng)器下的互鎖電路實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了討論,包括光耦驅(qū)動(dòng)器、半橋驅(qū)動(dòng)器以及IPM集成功率模塊等常見(jiàn)驅(qū)動(dòng)器件。在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)不同驅(qū)動(dòng)器類(lèi)型選擇對(duì)應(yīng)的互鎖電路,針對(duì)半橋驅(qū)動(dòng)器以及IPM,可使用德州儀器集成互鎖功能的半橋驅(qū)動(dòng)和數(shù)字隔離器ISO6760L進(jìn)行簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。
來(lái)源:TI
作者:Captain Luo
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