高频隔离驱动电路

一、方案论证

       由MS430单片机编程产生频率范围为10KHz~40KHz两路反相PWM信号，将这两路信号送入光耦隔离电路，进行隔离保护，再将保护后的信号送到H型桥式电路，桥式电路由4个功率场效应管构成。

二、原理分析

       单片机编程产生频率范围为10KHz~40KHz两路反相PWM信号，可由单片机中的Timer-A模块，写入其中的控制字即可产生信号。

       光耦电路由芯片2501构成，其引脚图如图1所示。

图1

       H型桥式电路由芯片IR2111构成，其引脚图如图2所示。

图2

IR2111芯片的典型应用原理图3：

图3

       IR2111 是功率MOSFET 和IGBT 专用栅极驱动集成电路, 可用来驱动工作在母线压高达600V 的电路中的N沟道功率MOS 器件。采用一片IR 2111 可完成两个功率元件的驱动任务, 其内部采用自举技术, 使得功率元件的驱动电路仅需一个输入级直流电源; 可实现对功率MOSFET和IGBT 的最优驱动, 还具有完善的保护功能。

       图3中上管是指接到高电压端的N 沟道MOSFET 或IGBT,注意应外接或内置保护、续流二极管, 下管是指接到低电压端的MOSFET 或IGBT。Vcc 是给IR2111 供电的电源, 以15V 为最佳。Vcc 降低至10V, IR2111 也能工作, 但会增加MOSFET 或IGBT的开关损耗。

IN 是控制信号的输入端, 输入等效电阻很高, 可直接连接来自微处理器、光耦或其它控制电路发出的信号。逻辑输入信号与CMOS 电平兼容, 在Vcc 是15V 时, 0～6V的电压为逻辑0; 6.4～15V 的电压为逻辑1。输入端电压为逻辑1 时, IR2111 输出端HO 输出高电平, 驱动上管; 输出端LO 输出低电平, 关闭下管。输入端电压为逻辑0 时,情况正好相反。IR2111 内部设置了650ns 的死区时间(Deadtime) , 可防止上下管直接导通造成短路事故。

COM是接地端, 直接和下管MOSFET的源极S或IGBT的发射极E相连。

HO、LO 分别是上、下管控制逻辑输出端, 逻辑正时输出典型电流为250mA, 逻辑正时输出典型电流为500mA, 输出延迟时间不会超过130ns。

Vb 是为高压侧悬浮电源端, Vs 是高压侧悬浮地, 它们的电位会随上管的导通截止而变化, 变化幅度可高达近600V。

上、下管电容里存储的电荷, 用来快速导通上、下功率管, 一般使用0.47μF 以上的非电解电容。上管电容的充电是在下管导通或负载有电流流过时自行完成的, 也称自举电容。充电回路是Vcc→上管电容充电二极管→上管电容→下管或负载→COM。控制信号长时间的为逻辑1,会导致上管电容的电荷用尽而截止上管, 因此控制信号的占空比不能为100%。

上管电容充电二极管用来防止上管导通时, 高压电窜入Vcc 端损坏低压器件, 也称自举二极管。在高端器件开通时, 自举二极管必须能够阻止高压, 并且应是快恢复二极管, 以减小从自举电容向电源Vcc 的回馈电荷。其反向耐压应大于功率端电压, 恢复时间应小于100ns。

上、下管保护电阻的作用, 是通过其延缓功率管极间电容的冲、放电速度, 从而降低不必要的高开关速度, 起到保护功率管的作用, 一般阻值在几个到几十个欧姆。

三、原理电路

高频隔离驱动电路原理图如图4所示

图4

  利用MSP430产生两路反相PWM信号，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();

            } 

}

四 参数分析及计算

1、负载功率计算：

由该H型驱动电路的工作原理可得，对于电阻性负载，当主电路供电电压为 ，其功率大小如下：

根据电阻要求R=36 ，功率为10w，可以得出主电路的电压为19V.

2、功率效应管的开启电压大于零，选电阻为100 。

3、由于光耦隔离芯片的驱动电流要10mA ，选择电阻为200 。

五 测试方案及步骤（含仪器设备）

  1）测试单片机msp430的引脚输出的PWM的波形；

  2）测试光耦隔离驱动前的波形；

  3）测试光耦隔离驱动后的波形。

六 测试结果记录

1）、单片机输出波形如图5所示。

图5

 2）、光耦后的输出波形如图6所示

图6

3）、IR2111输的波形如图7所示。

图7

 4）、负载两端电压波形如图8所示。

图8

七 测试结果分析（包过误差分析）

   测试时，发现输出的波形不是方波，原因是经过光耦隔离是发生了变化，由于芯片C501的功能驱动电流要10mA,我们选的电阻为200 。由于电阻的选择波形就发生了变化。

八 设计总结（包过改进方案）

由于单片机上的电压很小，要经过功率场效应管工作时，必须加一节光耦电路，为起到很好的隔离作用，所以从单片机上输出来的信号的“地”与从光耦电路出来的信号的“地“要分开来接。

九 元器件清单