基于IR2132的單芯片電源供電三相逆變器的設計

　　0 引言

　　逆變器已廣泛用于交流電氣傳動、UPS等許多技術領域中，其主電路開關器件常采用IGBT或MOSF、ET等全控型器件，該類器件的開關動作需要靠獨立的驅動電路來實現，并要求驅動電路的供電電源彼此隔離(如單相橋式逆變主電路需3組獨立電源，三相橋式逆變主電路需4組獨立電源)，這無疑增加輔助電源的設計困難和成本，同時也使驅動電路變得復雜，降低了逆變器的可靠性。采用如EXB840等專用厚膜集成驅動電路芯片雖然可以簡化驅動電路的設計，但每個驅動芯片仍需要一個隔離的供電電源，且每個芯片僅可驅動一個功率開關器件，應用仍有不便。而美國國際整流器公司生產的專用驅動芯片IR2132只需1個供電電源即可驅動三相橋式逆變電路的6個功率開關器件，可以使整個驅動電路變得簡單可靠。

　　1 IR2132驅動芯片的特點

　　IR2132可以用來驅動工作在母線電壓不高于600 V的電路中的功率MOS門器件，其可輸出的最大正向峰值驅動電流為250 mA，而反向峰值驅動電流為500 mA。它內部設計有過流、過壓及欠壓保護、封鎖和指示網絡，使用戶可方便地用來保護被驅動的MOS門功率管，加之內部自舉技術的巧妙運用使其可以用于高壓系統，它還可以對同一橋臂上下兩個功率器件的門極驅動信號產生O.8μs互鎖延時時間。它自身工作和電源電壓的范圍較寬(3～20 V)，在它的內部還設計有與被驅動的功率器件所通過的電流成線性關系的電流放大器，電路設計還保證了內部的3個通道的高壓側驅動器和低壓側驅動器可單獨使用，亦可只用其內部的3個低壓側驅動器，并且輸入信號與TTL及CMOS電平兼容。IR2132管腳如圖1所示。VBl～VB3是懸浮電源接地端，通過自舉電容為3個上橋臂功率管的驅動器提供內部懸浮電源，VSl～VS3是其對應的懸浮電源地端。

　　HINl～HIN3，LINl～LIN3是逆變器上橋臂和下橋臂的驅動信號輸入端，低電平有效。

　　ITRIP是過流信號檢測輸入端，可通過輸入電流信號來完成過流或直通保護。

　　CA一，CA0，VSO是內部放大器的反相端、輸出端和同相端，可用來完成電流信號檢測。

　　H01～H03，L01～L03是逆變器上下橋臂功率開關器件驅動信號輸出端。

　　FAULT是過流、直通短路、過壓、欠壓保護輸出端，該端提供一個故障保護的指示信號。它在芯片內部是漏極開路輸出端，低電平有效。

　　VCC，VSS是芯片供電電源連接端，VCC接正電源，而VSS接電源地。

　　2 IR2132內部結構及其工作原理

　　IR2132的內部結構如圖2所示，它的內部集成有1個電流比較器(Current Comparator)、1個電流放大器(Current Amp)、1個自身工作電源欠電壓檢測器(Under Voltage Detector)、1個故障處理單元(Fault Logic)及1個清除封鎖邏輯單元(Clear Logic)。除上述外，它內部還集成有3個輸入信號處理器(Input Signal Generator)、2個脈沖處理和電平移位器(Pulse Generator Level Shifter)、3個上橋臂側功率管驅動信號鎖存器(Latch)、3個上橋臂側功率管驅動信號與欠壓檢測器(Under Voltage Detector)及6個低輸出阻抗MOS功率管驅動器(Driver)和1個或門電路。

　　正常工作時，輸入的6路驅動信號經輸入信號處理器處理后變為6路輸出脈沖，驅動下橋臂功率管的信號L1～L3經輸出驅動器功放后，直接送往被驅動功率器件。而驅動上橋臂功率管的信號H1～H3先經集成于IR2132內部的3個脈沖處理器和電平移位器中的自舉電路進行電位變換，變為3路電位懸浮的驅動脈沖，再經對應的3路輸出鎖存器鎖存并經嚴格的驅動脈沖與否檢驗之后，送到輸出驅動器進行功放后才加到被驅動的功率管。一旦外電流發生過流或直通，即電流檢測單元送來的信號高于0.5 V時，則IR2132內部的電流比較器迅速翻轉，促使故障邏輯單元輸出低電平，一則封鎖3路輸入脈沖信號處理器的輸出，使IR2132的輸出全為低電平，保護功率管;同時IR2132的FAULT腳給出故障指示。同樣，若發生IR2132的工作電源欠壓，則欠壓檢測器迅速翻轉，也會進行類似動作。發生故障后，IR2132內的故障邏輯單元的輸出將保持故障閉鎖狀態。直到故障清除后，在信號輸入端LINl～LIN3同時被輸入高電平，才可以解除故障閉鎖狀態。

　　IR2132驅動上橋臂功率管的自舉電源電壓不足時，則該電路的驅動信號檢測器迅速動作，封鎖該路輸出，避免功率器件因驅動信號不足而損壞。當逆變器同一橋臂上2個功率器件的輸入信號同時為高電平，則IR2132輸出的2路門極驅動信號全為低電平，從而可靠地避免橋臂直通現象發生。

　　3 采用IR2132的逆變器電路結構

　　3.1 控制電路

　　采用了一種新型的預制相位PWM波的數字控制方案，逆變器6個開關管的開關狀態同某一調制比的SPWM脈沖相對應，其出發點是由一片EP-ROM來存儲這6個開關管的開關狀態，預置于EPROM內的由多種方式產生，常見的是先計算出來，對應于不同的基波頻率，按一定規律算出相對應的脈寬，再轉換成數值，存儲在EPROM內，EPROM的輸出與IR2132的HINl～HIN3，LINl～LIN3相連接。同一橋臂開關管之間相位互差120°，同橋臂上下開關互補導通且有死區。其SPWM波生成電路原理如圖3所示。

　　3.2 驅動電路

　　采用IR2132芯片驅動逆變器功率管時，其基本主電路不需改變，仍可用典型的三相電壓型逆變電路，為便于表示，圖4中畫出了IR2132驅動中1個橋臂的電路示意圖。圖中C1是自舉電容，為上橋臂功率管驅動的懸浮電源存儲能量，VD1的作用是防止上橋臂導通時的直流電壓母線電壓加到IR2132的電源上而使器件損壞，因此VD1應有足夠的反向耐壓，當然由于VD1與C1串聯，為了滿足主電路功率管開關頻率的要求，VD1應選快速恢復二極管。R1和R2是IGBT的門極驅動電阻，一般可采用10到幾十歐姆。R3和R4組成過流檢測電路，其中R3是過流取樣電阻，R4是作為分壓用的可調電阻。IR2132的HINl～HIN3，LINl～LIN3作為功率管的輸入驅動信號與SPWM波生成電路的EPROM連接。其容量取決于被驅動功率器件的開關頻率、占空比以及充電回路電阻，必須保證電容充電到足夠的電壓，而放電時其兩端電壓不低于欠電壓保護動作值，當被驅動的開關頻率大于5 kHz時，該電容值不小于0.1μF，且以瓷片電容為好。