FOC——10.11.IR2106半桥预驱电路

文章目录

1.应用电路概述
2.自举电路
3.IR2106芯片内部逻辑
- 3.1.下拉电阻
- 3.2.滞回比较器
- 3.3.电平转换模块
- 3.4.5.脉冲产生单元和RS触发器
- 3.6.延时模块
- 3.7.欠压保护
- - 3.7.1.欠压保护的功能
  - 3.7.2.产生欠压的情况
  - 3.7.3.避免欠压
- 3.8.推挽输出电路
4.外围电路选型
- 4.1.二极管选型
- - 4.1.1反向耐压
  - 4.1.2.反向恢复时间
- 4.2.限流电阻取值
- - 4.2.1.R61
  - 4.2.2.R70
- 4.3.预充电电阻R76
- 4.4.PWM信号输入端保护电阻R71和R72

1.应用电路概述

如下图所示，为使用IR2106搭建的半桥预驱动电路。HIN和LIN分别输入两路PWM信号，经过芯片后在HO和LO输出和输入电平逻辑一致的驱动信号，起到功率放大的作用。此外加入这个功率放大电路后肯定会引入延时，但是使用这种集成驱动芯片的延时很小，都在ns级别。

如下图所示，下面的MOS管的S极连接GND，那么只要G极的点位高于GS阈值电压下管即可导通，所以下管的电路很简单。但是上管就不一样了，先假设上管导通，那么此时上管的S极电位就是Vbus（这里假设为600V）。那么此时的G极电位需要是604.5V（假设GS导通阈值电压为4.5V）。而系统中最高电压只有600V，所以此时需要使用自举电路来提高电位。

在VCC和自举电容之间的二极管是为了防止自举电容对VCC放电。因为当自举电容充满电后上管导通时，VB点的电位是Vbus+Vcc，高于VCC，可能对VCC放电。

2.自举电路

自举电路本质上就是保持电压（电位差）不变，更换参考点之后得到更高的电位。

如下图所示，首先使用左图对电容充电，当电容充满电后两端电压（电位差）是15V。然后更换电容下侧的电位为24V，由于电容两端的电压不能突变，所以此时A点电位变成24+15=39V。也就是参考点的电位升高也把A点的电位抬起来了，A点的电位就升高了，此即自举。

根据上面的分析可以自举很重要的一个元件就是电容，这个电容也被称为自举电容。对于IR2106芯片的自举电路，打开下管对自举电容进行充电，电流如下图所示。

如下图所示，为IR2106的内部驱动电路。注意HO和LO的输出前一级都是一个推挽输出电路，也就是HO要么输出VB，要么输出VS。

当自举电容充电完毕后，关闭下管，给一个驱动信号让上管打开。则此时内部的推挽电路上管打开，HO输出VB，相当于此时的自举电容接在了HO和Vs之间，也就是上管的GS之间。那么自举电容就会给GS结电容充电，直到上管打开。上管打开后，Vs的电位变为600V，由于自举电容的作用，HO点的电位变为600+自举电容电压，也就是电位被抬高，仍然能够对GS电容充电，仍然能够保持上管打开。

关于自举电容的取值，一般在104到10uF之间，具体取值还是需要实际调试确定。

3.IR2106芯片内部逻辑

3.1.下拉电阻

芯片的输入引脚接了两个下拉电阻，保证在芯片没有输入的时候，这两个引脚的电平被下拉到地。这样可以防止引脚没有输入时电平不确定，导致后面的输出逻辑混乱，起到一定的保护作用。

下拉电阻一定要接，不能直接接地，否则这两个引脚就一直是低电平了。

3.2.滞回比较器

如下图所示，这里的滞回比较器可以用于波形整形，起到一定的滤波作用。因为单片机的PWM输出引脚到输入到IR2106的两个输入引脚可能走线较长，这样可能会导致PWM波形上出现一些干扰波形，利用滞回比较器相当于加了两个高低电平的判断阈值，可以抗干扰。

3.3.电平转换模块

IR2016的两个输入引脚的信号是单片机的PWM信号，这个PWM信号是以单片机的GND为参考点，而IR2106的参考点是芯片的COM端。当参考点不一样，或者参考点出现电势差时，为了把参考点统一，芯片内部会专门设计一个电平转换模块，用于把输入波形转换到基于芯片的COM端为参考点的波形，方便芯片处理，以防逻辑错乱。

3.4.5.脉冲产生单元和RS触发器

脉冲产生单元根据输入信号产生不同的脉冲驱动紧接着后面的MOS管，进一步控制后边的RS触发器，然后RS触发器控制推挽电路的输出，得到最终的输出电平。

3.6.延时模块

这里的DELAY延时模块是芯片内部做的一个死区，根据IR2106的数据手册可以发现这个死区时间很小，只有30ns，实际电路中考虑MOS管的开关速度都在us级别，所以还是需要增加PWM的死区。

3.7.欠压保护

3.7.1.欠压保护的功能

上桥驱动电路和下桥驱动电路各有一个欠压保护模块，上桥是检测自举电容两端的电压，低于阈值就触发欠压保护，关断芯片的输出，而下桥是检测芯片的供电VCC电压。

关于芯片的欠压，根据数据手册可知当低于8.2V时触发欠压保护，当高于8.9V时芯片恢复正常。那么芯片的欠压电接近9V。而MOS管的Vgs电压最大在正负20V之间，超过则可能损坏MOS管，而自举电容充满电后的电压就是VCC。所以驱动芯片的供电一般选择15V，在9V到20V的中间位置，既可以远离芯片的欠压点，又可以远离MOS管的工作最大电压。

3.7.2.产生欠压的情况

如下图所示为实际的IR2106预驱电路，其中C59是自举电容，C60是滤波电容。

自举电容欠压
1. 当上图中的C59非常小的情况下，并且电机处于低速转动时，很容易出现欠压。因为低速转动的时候换相时间比较长，在一个电周期内对自举电容的充电间隔就比较长，可能自举电容还来不及充电的时候电就已经耗光了，此时会出现欠压。
  
  PS：这里为了防止欠压不能直接选择大电容。因为电容大了充电时间变长，这样会影响电机的低速运行。自举电容的取值经验值是104-10uF，实际取值需要根据调试的波形来确定。
2. 如果使用的是下桥载波上桥恒通的控制方式，那么当电机低速转动的时候，下桥的PWM占空比小，自举电容的充电时间短，可能自举电容还没充满电下桥MOS就已经关闭了，此时也会出现自举电容的欠压。
3. 自举电容回路Layout走线不恰当，环路大，容易引入干扰，出现震荡，导致自举电容两端的也可能导致自举电容发生欠压。
VCC欠压
1. 如下图所示，当VCC电源上存在瞬间的电压拉低的脉冲干扰时，会引起VCC欠压。

3.7.3.避免欠压

需要让电机工作在高速、低速、重载、轻载等各个情况，然后实测自举电容两侧的电压波形来调整电容的容量，保证自举电容两端不欠压。

3.8.推挽输出电路

上下两个的输出都是推挽电路，推挽电路的上管是P管，下管是N管。当上管导通，那么引脚就输出上面的电压；下管导通，引脚输出下面的电压。所以电路上HO与VB不是连在一起的，但是当上管导通时它们就是连在一起的。

4.外围电路选型

4.1.二极管选型

4.1.1反向耐压

为了防止自举电容VCC反向充电，需要在自举电容上端使用一个二极管，并且这个二极管的反向耐压需要大于Vbus+VCC。

4.1.2.反向恢复时间

二极管的反向恢复时间要短，在数据手册里有这个参数，一般都是ns级别。符合这个特性的二极管可以使肖特基二极管和快恢复二极管。

在上MOS管导通瞬间，自举电容会对二极管内部的结电容进行反向充电，电流回路如下图所示，此时的反向电流会对低压系统（图中15V）造成一定的干扰。如果二极管的结电容也大，那么充电时间越长，也就是反向恢复时间越长。所以说选择的二极管需要反向恢复时间短，也就是结电容小。

4.2.限流电阻取值

4.2.1.R61

上电瞬间，给C58电容充电限流；
给自举电容充电限流。

注意：当C58储能电容充满电之后，自举电容的充电能量主要从C58取。当然R61也流过一部分电流提供给自举电容充电能量。

4.2.2.R70

上管导通瞬间有给二极管的结电容充电的反向电流，这里可以限流；
C58充满电后，自举电容的充电主要来自C58，此时可以对自举电容充电限流。

注意：C58的储能电容主要为了及时对自举电容进行充电，因为如果15V的电源距离自举电容较远，那么对自举电容充电的能量可能来不及提供。

4.3.预充电电阻R76

这个电阻是硬件实现自举电容的预充电，并且这个电阻只在低压系统中这么使用，在高压系统中由于这个电阻功耗太大所以一般不这么使用。这个电阻的是在初始上电的时候对自举电容充电提供回路的（注意这个是提供回路的，不是限流的，如下图所示），但是当电机正常运行之后主要还是靠下MOS管对自举电容进行充电。所以这个电阻的意义不是很大，也可以去掉这个电阻（断路），在初始上电的时候软件打开下MOS管对自举电容进行充电，如下图所示。

4.4.PWM信号输入端保护电阻R71和R72

PWM信号输出端的这两个电阻只是起到一定的保护作用，如果驱动芯片损坏短路，那么后级的高压有可能输入到HIN和LIN引脚，如果不加电阻的话直接作用到单片机引脚可能导致单片机损坏。这个电阻取值基本在1K左右，图中选型为3.3K偏大了。

群友1：这个电阻阻值不大，一般选择几百欧姆。

群友2：参考芯片资料。

群友3：取值几十欧，考虑和后级的输入电阻阻抗匹配，防止震荡。