電動機應用的日益廣泛，使其驅動控制的研究也越來越成為人們研究的熱點。隨著功率VMOS器件以及絕緣柵雙極晶體管(IGBT)器件的廣泛運用，更多場合使用VMOS器件或IGBT器件組成橋式電路，例如開關電源半橋變換器或全橋變換器、直流無刷電機的橋式驅動電路、步進電機驅動電路，以及逆變器的逆變電路。IR(Inter—national Rectifier)公司提供了多種橋式驅動集成電路芯片，本文介紹了IR21844功率驅動集成芯片在直流無刷電機的橋式驅動電路中的應用。該芯片是一種雙通道、柵極驅動、高壓高速功率器件" title="功率器件">功率器件的單片式集成驅動模塊，在芯片中采用了高度集成的電平轉換技術，大大簡化了邏輯電路" title="邏輯電路">邏輯電路對功率器件的控制要求，同時提高了驅動電路的可靠性。尤其是上管采用外部自舉" title="自舉">自舉電容上電，使得驅動電源數目較其他IC驅動大大減少。對于典型的6管構成的三相橋式逆變器，采用3片IR21844驅動3個橋臂，僅需1路10～20 V電源。這樣，在工程上大大減少了控制變壓器的體積和電源數目，降低了產品成本，提高了系統可靠性。
1 IR21844主要特點及技術參數
IR21844集成驅動芯片與目前應用的集成驅動芯片相比，具有以下特點：
◆該芯片為標準14引腳單片式結構，圖1為其引腳
分布圖；
◆設有懸浮截獲電源可自舉運行，其高端工作電壓最高達600 V，抗du／dt干擾能力為50 V／ns，15 V時靜態功耗為1．6 W；
◆輸出柵極驅動電壓范圍較寬，為10～20 V；
◆IR21844采用CMOS工藝制作，邏輯電路和功率電路共用一個電源，電壓范圍為10～20 V，適應TTL或CMOS邏輯信號輸入；
◆采用CMOS施密特觸發輸入，以提高電路抗干擾能力；
◆具有獨立的高端和低端2個輸出通道，兩路通道均帶有滯后欠壓鎖定功能；
◆容許邏輯電路參考地(VSS)與功率電路參考地(COM)之間有一5～+5 V的偏移量；
◆死區時間" title="死區時間">死區時間可調。
圖1中，引腳1(IN)是邏輯輸入控制端；引腳6和12是2路獨立的輸出，分別是L0(低端輸出)和H0(高端輸出)；引腳7和13分別是VCC(低端電源電壓)和VB(高端浮置電源電壓)；引腳5(COM)是低端電源公共端；引腳11和3分別是VS(高端浮置電源公共端)和VSS(邏輯電路接地端)；引腳2(SD)是輸出關閉控制端；引腳4(DT)是可調的死區時間輸入端。
其推薦典型工作參數如表1所列，動態傳輸延遲時間參數如表2所列。
2 典型應用電路
圖2為IR21844的典型應用電路。Vcc接電源端，為邏輯部件和功率器件供電；IN端接輸入控制信號，一般接PWM信號；輸出端HO和LO的波形分別與IN端輸入波形邏輯相同和相反，幅值有一定的放大(10～20 V)，輸入／輸出時序圖如圖3所示；SD端接低電平時，H0和LO正常輸出，接高電平時，2個輸出端被封鎖；DT為死區時間調整端，因為橋式電路同一橋路的上下管不能同時導通" title="導通">導通，否則會造成管子短路，因此需要一個死區時間。由于H0和LO的輸出邏輯相反，所以從邏輯上來說，不會造成直通，但是在換向的瞬間仍有可能造成直通。可在DT端外接一個電阻Rdt，通過調整該電阻的阻值就可以調節死區時間；同時，開通延時時間為680 ns，大于關斷延時時間的270 ns，從而避免橋路的直通，死區時間典型值為5μs(如表2所列)。
圖2中，C2為自舉電容。在T2導通、T1關斷期間，VCC經D1、C1、負載、T2給C1充電，以確保當T2關斷、T1導通時，T1管的柵極靠Cl上足夠的儲能來驅動。這就是高端的自舉供電。若負載阻抗較大，C2經負載降壓充電較慢，使得T2關斷、T1導通，C2上的電壓仍充電不到自舉電壓8．3 V以上，那么輸出驅動信號會因欠壓被片內邏輯封鎖，T1就無法正常工作。為此，C2的選擇就顯得很重要，一般用1個大電容和1個小電容并聯使用，在頻率為20 kHz左右的工作狀態下，選用1．0μF和0．1μF電容并聯。并聯高頻小電容用來吸收高頻毛刺干擾電壓。驅動大容量的IGBT時，在工作頻率較低的情況下，要注意自舉電容電壓穩定性問題，上管的驅動波形峰頂如果出現下降的現象，則要選取大的電容。
顯然每個周期T1開關一次，C2就通過T2開關充電一次，因此自舉電容C2的充電還與輸入信號IN的PWM脈沖頻率和脈沖寬度有關。當PWM工作頻率過低時，若T1導通脈寬較窄，自舉電壓8．3 V容易滿足；反之，無法實現自舉。因此，要合理設置PWM開關頻率和占空比調節范圍，C2的容量選擇考慮如下幾點：
①PWM開關頻率高，C2應選小電容。
②盡量使自舉上電回路不經大阻抗負載，否則應為C2充電提供快速充電通路。
③對于占空比調節較大的場合，特別是在高占空比時，T2導通時間較短，C2應選小電容。否則，在有限時間內無法達到自舉電壓。
④C2的選擇應綜合考慮PWM變化的各種情況，監測H()、VS腳波形進行調試是最好的方法。
根據表1，VB高于VS電壓的最大值為20 V，為了避免VB過電壓損壞IR21844，電路中增加了穩壓二極管D1。電路中D2的功能是防止T1導通時高電壓串入VCC端損壞該芯片，因此其耐壓值必須高于總線峰值電壓，故采用功耗小的快恢復二極管。與VCC端相連的電容C3是去耦電容，用于補償電源線的電感。
3 場效應管驅動電路的改進
如圖2所示，典型應用電路是由IR21844驅動2個N溝道MOSFET管或IGBT組成的半橋驅動電路。固定的柵極參考輸出通道(L0)用于下端連接的功率場效應管T2，浮動的柵極輸出通道(HO)用于上端連接的功率場效應管T1。
以驅動N溝道MOSFET管為例來介紹。功率MOS—FET是電壓型驅動器件，沒有少數載流子的存儲效應，輸入阻抗高，因而開關速度可以很高，驅動功率小，電路簡單。但功率MOSFET的極間電容較大，其等效電路如圖4所示。
輸入電容Ciss、輸出電容Coss和反饋電容Crss與極間電容的關系可表示為：
IR21844不能產生負偏壓，如果用于驅動橋式電路，由于極間電容的存在，在開通和關斷時刻，柵漏極間的電容CGD有充放電電流，容易在柵極上產生干擾。針對這一不足，可以在柵極限流電阻(R1和R2)上分別反并聯一個二極管(D3和D4)來解決，該二極管可以加快極間電容上的電荷的放電速度。
功率器件的柵源極的驅動電壓一般為CM()S電平(5～20 V)，因此要在柵極增加保護電路。電路中穩壓二極管D5、D6限制了所加柵極電壓，電阻R1、R2進行分壓，同時也降低了柵極電壓。
功率器件T1、T2在開關過程中會產生浪涌電壓，這些浪涌電壓會損壞元件，所以電路中采用穩壓二極管D5、D6鉗位浪涌電壓。
4 擴展與總結
以上介紹的是IR21844用于驅動單相電路時的用法和注意事項，同樣，該芯片完全可以用于驅動兩相、三相或者多相電路。可將該電路進行復制，當然一些參數的確定還需要按照本文的分析和具體的實際情況而定。
由于該芯片只有一路輸入，兩路互補輸出，非常適合用于驅動橋式電路；并且它的死區時間可以靈活調節，輸出鎖定端可以靈活用于電流的閉環控制，給控制的沒計帶來了很大的方便，因此在中小型功率領域應用比較廣泛。