¿Cómo funciona el chip controlador de tubo MOS? (Tome el IR2110 como ejemplo)
Resumen: Analice brevemente las características y principio de funcionamiento del controlador PWM dual UC3637 y el IR2110. Se construyó conjuntamente un circuito de amplificación de señal pequeña, alta potencia y alto voltaje utilizando UC3637 e IR2110, y su viabilidad se verificó mediante experimentos.
Palabras clave: amplificador de señal pequeño; modulación de ancho de pulso dual; accionamiento de suspensión; alto voltaje y alta potencia
0 Introducción
Muchos circuitos de amplificación de señal pequeña existentes lo son. Está compuesto por un circuito de amplificación de transistores o tubos MOS. Su potencia es limitada y la potencia del circuito no se puede hacer muy grande. Con la madurez gradual de la tecnología de inversor moderna, especialmente la tecnología de inversor SPWM, la forma de onda de la señal se puede reproducir bien en el extremo de salida y se puede lograr alto voltaje, alta corriente y alta potencia. Hay dos formas de implementar la tecnología SPWM: una es utilizar circuitos integrados analógicos para comparar la onda modulada sinusoidal y la portadora de onda triangular para generar señales SPWM; Con la profundización de las aplicaciones y el desarrollo de la tecnología de integración, los circuitos integrados de aplicaciones específicas (ASIC), los microcontroladores de propósito especial (8X196/MC/MD/MH) y los DSP comercializados pueden simplificar la estructura del circuito de control y lograr una alta integración. Dado que los chips digitales son generalmente más caros, aquí se utilizan circuitos integrados analógicos. El circuito principal adopta una estructura de inversor de puente completo. La generación de onda SPWM adopta un chip de control PWM dual UC3637 y adopta el módulo integrado de unidad flotante de alto voltaje IR2110 lanzado por American IR Company, lo que reduce el tamaño del dispositivo. el costo y mejorando la eficiencia del sistema. Después de la amplificación mediante este circuito, la señal puede alcanzar los 3 kV y mantener una buena forma de onda de salida.
1 Principio y funciones básicas de UC3637
El diagrama de bloques principal de UC3637 se muestra en la Figura 1. Contiene un oscilador de onda triangular, un amplificador de error, dos comparadores PWM, una puerta de control de salida, un comparador de límite de corriente pulso a pulso, etc.
Figura 1 Diagrama de bloques principal del UC3637
El UC3637 puede funcionar con fuentes de alimentación simples o dobles, con un rango de voltaje de operación de ± (2,5 ~ 20) V, lo cual es especialmente beneficioso para fuentes bipolares. modulación; señal PWM de doble canal, salida de tótem, capacidad de corriente de fuente o disipador de 100 mA; limitación de corriente de pulso a pulso; oscilador de onda triangular de amplitud constante incorporado con buena linealidad; control de umbral.
La característica más distintiva de UC3637 es el oscilador de onda triangular. El circuito de generación de onda triangular se muestra en la Figura 2. Los parámetros de onda triangular se calculan según la Ecuación (1) y la Ecuación (2).
Is=(1)
f=(2)
En la fórmula: VTH es el voltaje de giro (umbral) del pico de la onda triangular;
Vs es el voltaje de la fuente de alimentación;
RT es la resistencia de sincronización;
CT es el condensador de sincronización
Is es la constante; corriente de carga;
f es la frecuencia de oscilación.
Figura 2 Circuito de generación de onda triangular
El UC3637 tiene un amplificador de error de salida de baja impedancia y ancho de banda de 1 MHz de alta velocidad, que se puede utilizar como un amplificador operacional rápido general o como un operación de compensación de retroalimentación puesta. Las funciones principales de UC3637 son dos comparadores PWM. El circuito de implementación se muestra en la Figura 3. En el circuito de aplicación también se implementan otras funciones, como el bloqueo por subtensión y el control de umbral de 2,5 V.
Figura 3 Circuito de generación PWM
2 Estructura y aplicación del IR2110
El diagrama de bloques funcional interno del IR2110 se muestra en la Figura 4. Consta de tres partes: entrada lógica, cambio de nivel y protección de salida.
Figura 4 Diagrama de bloques funcional interno del IR2110
El IR2110 tiene canales de entrada independientes de gama alta y baja; la fuente de alimentación flotante adopta un circuito de arranque y su funcionamiento de gama alta. el voltaje puede alcanzar 600 V y es estático a 15 V. El consumo de energía es de solo 116 mW; el rango de voltaje del terminal de fuente de alimentación de salida (pin 3 Vcc, que es el voltaje de accionamiento de la puerta del dispositivo de alimentación) es de 10 ~ 20 V; pin 9VDD) es de 3,3 ~ 20 V, que se puede combinar fácilmente con niveles TTL o CMOS, y se permite un desplazamiento de ± 5 V entre la tierra de alimentación lógica y la frecuencia de funcionamiento es alta, hasta 100 kHz; los retrasos de encendido y apagado son pequeños, 120 ns y 94 ns respectivamente; la corriente máxima de salida del tótem es 2A.
Analicemos el principio de arranque de la transmisión de suspensión lateral de alto voltaje.
El circuito utilizado por IR2110 para controlar el medio puente se muestra en la Figura 5. En la figura, C1 y VD1 son el capacitor de arranque y el diodo respectivamente, y C2 es el capacitor de filtro de Vcc. Se supone que C1 se ha cargado a un voltaje suficiente (Vc1≈Vcc) durante el apagado de S1. Cuando el pin 10 (HIN) está alto, VM1 se enciende, VM2 se apaga, se agrega Vc1 entre la puerta y el emisor de S1, C1 se descarga a través de VM1, Rg1 y el capacitor de puerta-emisor Cge1 de S1, y se carga Cge1. En este momento, Vc1 puede ser equivalente a una fuente de voltaje. Cuando el pin 10 (HIN) está bajo, VM2 se enciende, VM1 se apaga, la carga de la puerta de S1 pasa a través de Rg1, VM2 se libera rápidamente y S1 se apaga. Después de un breve tiempo muerto (td), el pin 12 (LIN) está en nivel alto, S2 se enciende, Vcc carga C1 a VD1 y S2 repone rápidamente energía para C1. Este ciclo se repite.
Figura 5 El circuito utilizado por IR2110 para controlar el medio puente
La desventaja de IR2110 es que la función de protección es insuficiente y no tiene un voltaje de polarización negativa. Por esta razón, se le agrega un circuito de polarización negativa, como se muestra en la Figura 6.
La Figura 6 utiliza el circuito controlador IR2110
3 Aplicación de UC3637 e IR2110 para formar un circuito controlador de control
La Figura 6 es un circuito controlador compuesto por IR2110. Se puede ver en la Figura 6 que dos IR2110 pueden controlar un circuito inversor de puente completo. Pueden utilizar la misma fuente de alimentación de accionamiento sin aislamiento, lo que simplifica enormemente el circuito de accionamiento. El IR2110 por sí solo no puede generar un sesgo negativo. Se puede ver en el circuito de control que este circuito agrega un circuito de polarización negativa a cada brazo del puente. Tomando la mitad izquierda como ejemplo, el proceso de trabajo es el siguiente: después de encender el VDD, carga desde C1 hasta R1 y forma. +5 debajo de la abrazadera de VW1 Voltaje de .1V Vc1 Cuando la salida del pin 1 (LO) del IR2110 es de nivel alto, el tubo inferior tiene un voltaje de conducción de (VDD-5.1) V. Al mismo tiempo, a -5.1 V se forma entre la puerta y la fuente del tubo inferior cuando el tubo inferior está apagado. Cuando el tubo inferior está encendido, el pin 1 (LO) emite un nivel alto a través de Rg2 y R2 enciende el MOSFET. permita que C3 se cargue cuando el pin 7 (HO) de IR2110 genera un nivel alto, C3 se descarga para proporcionar la corriente de encendido del tubo superior. Al mismo tiempo, VW2 carga y fija C2 a +5,1 V. El tubo está apagado, Vc2 forma una polarización negativa. Para utilizar únicamente la función de protección del IR2110, conecte el pin 11 (SD) a tierra.
La Figura 7 es un circuito que utiliza UC3637 para generar ondas PWM. Como se puede ver en la Figura 7, este es un circuito de amplificación de señal pequeña de bucle abierto. Debido a que la amplitud del voltaje de la señal pequeña es demasiado baja en comparación con la amplitud de la onda triangular, la señal pequeña es primero amplificada por el amplificador operacional Error. del propio UC3637, de modo que su amplitud es aproximadamente igual a la amplitud de la onda triangular. Este circuito no utiliza UC3637 como zona muerta, pero utiliza un retardo de zona muerta independiente. Luego, la señal amplificada se compara directamente con la onda triangular, y la onda SPWM invertida sale en el pin 4 y el pin 7 de UC3637 respectivamente, y se envía al chip controlador IR2110 a través del circuito de retardo de zona muerta, el circuito de filtro de desorden y el aislamiento. circuito.
Figura 7 Circuito de generación de PWM usando UC3637
Preste atención a los siguientes aspectos al diseñar el circuito:
1) RT y CT de UC3637 deben seleccionarse apropiadamente para evitar RT La corriente es demasiado grande, dañando el chip;
2) El valor C2 en el circuito de accionamiento es mucho mayor que el valor de capacitancia entre electrodos entre la puerta y la fuente del tubo superior;
3) IR2110 La selección de la capacitancia del componente bootstrap depende de la frecuencia de conmutación, VDD y las necesidades de carga de la puerta y la fuente del MOSFET de potencia. El valor de tensión soportada del diodo debe ser mayor que el pico. voltaje, y su consumo de energía debe ser lo más pequeño posible y poder recuperarse rápidamente;
4) El flanco ascendente del pulso de conducción del IR2110 depende de Rg. El valor de Rg no puede ser demasiado grande para evitar errores. el flanco ascendente del pulso de conducción no es pronunciado, pero tampoco puede hacer que la corriente de conducción promedio sea demasiado grande para evitar dañar el IR2110;
5) Cuando el circuito generador de PWM es un circuito analógico, la señal puede ser conectado directamente al IR2110; cuando se utilizan señales digitales, se debe considerar el aislamiento;
6) Preste atención al problema de polarización de CC.
4 Resultados experimentales
Con una entrada analógica del generador de señal, el UC3637 genera una onda triangular de 63 kHz y el voltaje del bus de CC es de 220 V. Este circuito se probó bajo carga ficticia y carga cerámica piezoeléctrica respectivamente, y el terminal de salida emite una buena señal amplificada.
La Figura 8 es la forma de onda de conducción de los MOSFET de potencia superior e inferior utilizando una señal de entrada sinusoidal de frecuencia única en el laboratorio, y la Figura 9 es la salida del puente inversor. La Figura 10 es también la forma de onda de salida (cambio de parámetro de tiempo) y la Figura 11 es la forma de onda de carga con una pseudocarga cuando M=0,1.
Figura 8 Formas de onda de accionamiento del tubo del interruptor superior e inferior
Figura 9 Forma de onda de salida del puente inversor (limitada por rango)
Figura 10 Forma de onda de salida del puente inversor
Figura 11 Forma de onda de carga
La señal real es una señal aleatoria y la carga es un cambiador de sonido piezoeléctrico. Cuando M≌1.0 y la relación del transformador es 1:7, este circuito puede ser pequeño. La señal se amplifica a un valor máximo de 3,2 kV y el valor de salida efectivo puede alcanzar 680 V. La distorsión de la señal amplificada es muy pequeña, lo que cumple con los requisitos técnicos. Dado que el osciloscopio de alto voltaje no tiene interfaz, no puede capturar las formas de onda en ambos extremos de la carga.
5 Conclusión
1) UC3637 utiliza una pequeña cantidad de circuitos integrados para formar un circuito de control del inversor completo. El circuito de control es simple y práctico, y la inversión en hardware no es alta. Demuestra que el rendimiento es estable y confiable;
2) UC3637 e IR2110 tienen un alto rendimiento antiinterferencias, y un IR2110 puede impulsar de manera segura un medio puente MOSFET o IGBT a una potencia mayor
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3) Dado que IR2110 tiene características de conducción de doble canal, circuito simple y fácil uso, es más barato que EXB841 y tiene un rendimiento de alto costo.