MOSFET_IGBT半桥驱动芯片IR2111的应用研究

机电工程技术!""#年第$%"#期卷第应用技术

ＭＯＳＦＥＴ／ＩＧＢＴ半桥驱动芯片ＩＲ２１１１的应用研究

王

（浙江丽水学院，

超

浙江丽水

３２３０００）

摘要：本文介绍了ＭＯＳＦＥＴ／ＩＧＢＴ半桥驱动芯片ＩＲ２１１１的使用情况，分析了其工作电路中外围各元器件的作用，同时指出了在使用过程中应注意的一些问题和现象，并对不同公司的ＭＯＳＦＥＴ／ＩＧＢＴ驱动芯片作了简要介绍。关键词：ＭＯＳＦＥＴ／ＩＧＢＴ；半桥驱动；ＩＲ２１１１中图分类号：ＴＮ４

文献标识码：Ａ

文章编号：１００９－９４９２（２００８）０８－００５７－０３

１引言

功率场效应管（ＭＯＳＦＥＴ）是２０世纪７０年代后出现的电压控制型中小功率器件，有Ｐ沟道和Ｎ沟道之分，都具有开关速度快、损耗低、驱动功率小，无二次击穿的优点。在电源、直流有刷、无刷电机驱动、逆变器等场合广泛应用。

绝缘栅双极晶体管（ＩＧＢＴ）是１９８６年后出现的中大功率器件，分为Ｐ沟道和Ｎ沟道。它集合了ＭＯＳＦＥＴ和功率晶体管（ＧＴＲ）的优点，也广泛应用在各种逆变器中，是取代ＧＴＲ的理想器件

［１］

ＩＲ２１１１典型应用电路如图１所示。

图中上管是指接到高电压端的Ｎ沟道ＭＯＳＦＥＴ或ＩＧ－

ＢＴ，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。

。

ＭＯＳＦＥＴ和ＩＧＢＴ虽然在开关速度和最大导通电流上

有所不同，但它们的驱动电路是相似的。有分立元件的驱动电路，也有专用的集成电路驱动芯片，还有将多个功率器件和驱动电路都做在一起的智能功率模块。

使用专用的集成电路驱动芯片设计的电路有线路简单、成本低廉的优点，在成本敏感的应用中是最好的选择。ＩＲ２１１１是国际整流器公司（ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＲｅｃｔｉｆｉｅｒ，简称ＩＲ）的产品，多应用在电子整流器等照明电路中，市场批发价不到２元人民币，将其应用到电动机控制电路中，可以取得很好的效果。

ＣＯＭ是接地端，直接和下管ＭＯＳＦＥＴ的源极Ｓ或ＩＧ－ＢＴ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

２使用ＩＲ２１１１驱动的典型电路分析

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电压高达６００Ｖ的电路中的Ｎ沟道功率ＭＯＳ器件。采用一片ＩＲ２１１１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ＭＯＳ－

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

ＦＥＴ和ＩＧＢＴ的最优驱动，还具有完善的保护功能。

收稿日期：２００８－０６－２４

应用技术

机电工程技术!""#年第$%卷第"#期

图１ＩＲ２１１１的典型应用电路

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。

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

３在使用中可能出现的问题

１）该电路在静态测试时，如果没有接负载，控制信

号的输入端为逻辑１时，上管控制逻辑输出端ＨＯ的高电位只能维持很短的时间。若输入占空比变化的脉宽调制信号，就可以观察到ＨＯ的电位随占空比而变化，这是上管电容充电的缘故，ＬＯ端就不会有这个问题。

２）廉价的ＩＲ２１１１没有设置过流保护功能，如果负载

图２应用ＩＲ２１１１设计的电路实例

图３应用ＩＲ２１１１的电路图

缝纫机电机变频器，硬件总成本不超过１００元，这和动辄上千乃至上万的通用变频器价格形成了鲜明的对比。

表１

各驱动集成电路性能及价格

过大，超出了功率管的安全工作区，就会损坏功率管，甚至炸管。采用一个限流保护电路是不可缺少的，用一个

０．１Ω的电压采样电阻，一片电压比较器ＬＭ３１１和一只二

极管就可以起到限流作用。

３）Ｖｓ的负过冲

当桥电路负载为感性时，上管的关断会引起负载电流突然转换到下管的续流二极管，由于二极管开通延迟，正向压降和杂散电感会使Ｖｓ点负过冲到参考地以下。在死区时间内，如果负载电路不能完全恢复，当下管器件硬开通时，会发生Ｖｓ负过冲或振荡。ＩＲ２１１１的Ｖｓ至少有抗

５Ｖ的负过冲能力，一般不会有问题，负过冲水平超过该

值，可采用ＩＲ推荐的几种方法：减小杂质参数、杂散电感、改善耦合、减小ｄｖ／ｄｔ等。

４应用ＩＲ２１１１设计的电路实例

文中ＩＲ２１１１的典型应用电路中，只要在负载端和地之间接入直流电机，就组成了一个有制动的不可逆脉宽调制（ＰＷＮ）系统，用单片机产生的ＰＷＮ信号来控制，取得了很好的调速效果。

用两片ＩＲ２１１１和四个功率管组成全桥，就可得到Ｈ型双极性可逆ＰＷＮ驱动系统。

用三片ＩＲ２１１１和六个功率管组成的三个半桥，可得到输出双极式正弦脉宽调制（ＳＰＷＮ）波形的三相逆变器电路。尤其值得一提的是该电路的主要成本取决于ＭＯＳ－

ＦＥＴ或ＩＧＢＴ的价格，应用该方法设计的４００Ｗ三相笼式

（下转第６９页）

大。从图２（ａ）和图２（ｃ）金相组织也可以看出，无挤压力时合金形成粗大的等轴粒，主要由α固溶体组成。由扫描电镜及能谱分析可知，晶界分布θ（Ａｌ２Ｃｕ）相和共晶组织。加压之后晶粒明显细化，而且晶粒形状发生明显变化，形成细小的树枝晶。可知压力是铸造铝合金的主要影响因素，外部压力能提高气体在合金中的溶解度，并阻止气泡在液态金属中形核及长大；压力也会降低溶质元素在合金液中的扩散系数，并加速铸件的凝固过程，因此多数情况下，压力下凝固可减少铸件的显微偏析和比重偏析，这些都将提高挤压铸件内部质量。压力也改变合金的凝固温度，增加了金属与模具表面的热交换率，明显细化显微组织，因此合金的性能随压力增加明显。

从图２（ｃ）和图２（ｄ）可以看出，合金热处理后，组织形貌发生很大变化。这是由于在随后的固溶处理中，晶界处粗大的颗粒状质点和低熔点共晶化合物溶入α基体，强化了α基体，阻碍位错移动，引起合金的强化。由于含铜量较大，因此θ相溶解不完全，部分相残留在晶界。时效时析出细小弥散的第二相，产生弥散强化。在图

了金属与模具表面的热交换率，明显细化显微组织，因此合金的性能随压力增加明显。

３）热处理之后，部分θ相残留在晶界晶，晶内存在

较多的细小沉淀相，而且成分更加均匀，因此合金的性能明显增加。

参考文献：

［１］齐丕骧．挤压铸造［Ｍ］．北京：国防工业出版社，１９８４．［２］ＤｒＪＲＭｏｒｔｏｎ，ＭｒＪＢａｒｌｏｗ．Ｓｑｕｅｅｚｅｃａｓｔｉｎｇ：ｆｒｏｍａｔｈｅｏｒｙ

ｔｏｐｒｏｆｉｔａｎｄａｆｕｔｕｒｅ［Ｊ］．ＴｈｅＦｏｕｎｄｒｙｍａｎ，１９９４（１）：２３－２４．

［３］ＳｔｅｆａｎｏｓＭＳｋｏｌｉａｎｏｓ，ＧｒｉｇｏｒｉｓＫｉｏｕｒｔｓｉｄｉｓ，ＴｈｏｍａｓＸａｔｚｉｆｏｔｉｏｕ．

Ｅｆｆｅｃｔｏｆａｐｐｌｉｅｄｐｒｅｓｓｕｒｅｏｎｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｍｅｃｈａｎｉ－ｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｓｑｕｅｅｚｅ－ｃａｓｔａｌｕｍｉｎｕｍＡＡ６０６１ａｌｌｏｙ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＡ，１９９７（Ａ２３１）：１７－２４．［４］ＭＧａｌｌｅｒｎｅａｕｌｔ，ＧＤｕｒｒａｎｔ，Ｂｃａｎｔｏｒ．Ｔｈｅｓｑｕｅｅｚｅｃａｓｔｉｎｇｏｆ

ｈｙｐｏｅｕｔｅｃｔｉｃｂｉｎａｒｙＡｌ－Ｃｕ［Ｊ］．ＭｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌａｎｄＭａｔｅｒｉａｌｓＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓＡ，１９９６（２７Ａ）：４１２１－４１２３．

［５］ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＬｅａｄＺｉｎｃＲｅｓｅａｒｃｈＯｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ，Ｉｎｃ．Ｕ．Ｓ．Ｐａｔｅｎｔ：

３３８２９１０，１９６８－０５－１４．

［６］ＵｂｅＩｎｄｕｓｔｒｉｅｓ，Ｌｔｄ．Ｕ．Ｓ．Ｐａｔｅｎｔ：４０８８１７８，１９７８－０５－０９．［７］ＵｂｅＩｎｄｕｓｔｒｉｅｓ，Ｌｔｄ．Ｕ．Ｓ．Ｐａｔｅｎｔ：４４３１０４７，１９８４－０２－１４．［８］ＵｂｅＩｎｄｕｓｔｒｉｅｓ，Ｌｔｄ．Ｕ．Ｓ．Ｐａｔｅｎｔ：４６５５２７４，１９８７－０４－０７．［９］龚磊清，金长庚，刘发信，等．铸造铝合金金相图谱［Ｍ］．

长沙：中南工业大学出版社，１９８７．

［１０］张士林，任颂赞．简明铝合金手册［Ｍ］．上海：上海科学

技术文献出版社，２００１．

２中可以看到，热处理之后，晶内存在较多的细小沉淀相，

而且成分更加均匀，因此合金的性能明显增加。

５结论

１）本研究制备出一种高强、高韧的挤压铸造铝铜合

金，在７５ＭＰａ挤压力下铸造并经Ｔ５热处理后其抗拉强度达４９０ＭＰａ，延伸率达９．８％，比同条件下无压力时分别提高７１．９％和５０％。

作者简介：李彦霞，女，１９７９年生，河南南阳人，硕士。研究领域：挤压铸造铝合金。

２）加压之后，铝铜合金的抗拉强度和延伸率均有明

显增加。在７５ＭＰａ挤压力下，晶粒明显细化，形状由粗大等轴晶变为细小树枝晶。压力改变合金的凝固温度，增加

（编辑：向飞）

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（上接第５９页）

５其它驱动集成电路比较

ＩＲ公司除了生产ＩＲ２１１１外，还有其它种类的驱动集

成电路，有驱动单管的，也有驱动半桥、全桥的，有输入逻辑信号兼容ＴＴＬ电平的，也有兼容ＣＭＯＳ电平的，还有具备完善保护功能的电机驱动芯片及功率模块等等，它们的价格均高于ＩＲ２１１１芯片的价格。

另外还有其他很多公司生产的ＭＯＳＦＥＴ或ＩＧＢＴ驱动集成电路，如ＳＴＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ的Ｌ６３８×系列，ＩＸＹＳ公司的ＩＸ６Ｒ１１，ＦＡＩＲＣＨＩＬＤ公司的ＦＡＮ７３８２，Ｍａｘｉｍ公司的

６结束语

在社会主义市场经济的今天，更注重的是产品的质量和效果。当今电机控制正由模拟控制向以单片机为主的微处理器控制转化，采用开关速度更快、控制更容易的全控型功率器件ＭＯＳＦＥＴ和ＩＧＢＴ应该成为当前的主流。

参考文献：

［１］王晓明．电动机的单片机控制［Ｍ］．北京：北方航空航天大

学出版社，２００７．

ＭＡＸ６２１Ｃ系列，飞思卡尔公司的ＭＣ３３１５３，富士公司的ＥＸＢ８４０等等，都可以供设计时选用。

其它驱动集成电路性能及大致价格在表１中列出。

作者简介：王超，女，１９７９年生，浙江松阳人，硕士研究生。

研究领域：机电一体化。

（编辑：梁玉）

Abstracts

363000,China)

Abstract:Manipulator control system is a pneumatic non-linear system, it is difficult to get good effect by adopt regular PID control method. This paper combines the single neuron model with regular PID, designs a single neuron adaptive PID controller, and applies it in the pneumatic manipulator servo system, the controller uses DSP to realize. Operation result indicate that this controller can adapttothewiderangechangeof the controlled object, have good robustness, its control quality is superior toregular PID controller.

Key words:manipulator; single neuron; adaptive PID controls; servo systemofthepneumaticpressure; DSP

08-08-55Application of Pro/ENGINEERfor the Mold Design of Syringe Piston

LI Heng-ju (GuangdongLight Industry School, Guangzhou 510310,

China)

08-08-41Application of Inverter in the Water Supply System

ZHAO Chong-gang, JIANG Zhen, WANG Bing, LI Hong-jin

(Departmentof Precision Mechanical Engineering, Shanghai University, Shanghai200072, China)

Abstract:Pro/Engineeri s a software integrating CAD/CAM/CAE.It is powerful, covering the whole process of product designing, model constructing and manufacturing. This paper discusses the mold design of syringe piston with the help of the powerful three dimensions solid modelingfunctionof Pro/Engineer wildfire, and the unique function in the design of mold cavity.

Key words:Pro/Engineer;three dimensions solid modeling; design of mold

08-08-57The Application of MOSFET/IGBTHalf Bridge Drive Chip IR2111

WANGChao (LishuiCollege,Lishui 323000,China)

Abstract:This paper introduces the use of MOSFET/IGBThalf bridge drive chip Ir2111and analyzes the functions of the periphery parts of the working circuit, meanwhile, some remarkable problems and phenomenon during the using process is indicated. Finally, some brief introductions of MOSFET/IGBTdrivechipmadebydifferentcompaniesaregived.

Key words:MOSFET/IGBT;halfbridge drive; IR2111

Abstract:In this paper, the control principle of the VVVF(VariableVoltage and Variable Frequency) water supply system is introduced, the PLC is used to carry on logic control and the inverter is used to modulate pressure. Through PID control principle in inverter, closed-loop control in VVVF water supply system is realized. The result indicates thatthesystemhas stable pressure,simplestructure,andreliablework.

Key words:inverter; water supply system; PID; PLC; constant voltage

08-08-44Application of State Monitoring of Motors in Practical Production

LI Li, WANGXue-mei (SinkiangDushanziPetrochemical Company,

Kelamayi 833600,China)

08-08-60Some Key Technologies of Reverse Engineering

ZHANG Hong-bin (GACAutomotive Engineering Institute,

Guangzhou 510640,China)

Abstract:In many plants, there is no effective management procedure of the motor state monitoring.Basedontheexperience of many years, this paper presents an effective management system and a technical support plan for the motor state monitoring.

Key words:motor; state monitoring; run; monitoring apparatus

Abstract:The application of 3D digitalization technologies is summarized in this paper, involving the concept, the apply area and theapplicationinautoanalysisofit.

Key words:Reverse Engineering;digitalization; discrete data

08-08-61Application of Electromagnetic Flowmeter in the Industrial Pipeline System

JIANG Ji-wu 1, CHEN Xia 2(1.GuangzhouMunicipal Construction

Group Co.,Ltd. Guangzhou 510030, China; 2.Guangdong Industrial EquipmentInstallationCompany,Guangzhou510080,China)

08-08-48Application of IAP in V-Style Sclerometer Based on P89C668SCM

HONG Xin-wang, LONG Yong-hua (NanhaiNeusoft Institute of Abstract:This paper introduces the IAP (InApplication Programming) technology and the structure and principle of V-style sclerometer, then discusses the data storaging with IAP technology. Both hardware and software designs of the P89C668SCM are well demonstrated, and part of the code is also displayed.

Key words:MCU;IAP; data; sclerometer

Information,Foshan528000, China)

Abstract:Based on the analysis of the principle, the environmental requirements and other factors of electromagnetic flowmeter, this paper summed up the electromagnetic flowmeters' key technologies in the applications of selection, installation, commissioning, etc.

Key words:electromagnetic induction; conductivity; flow volume; flowvelocity;sensors

Development of Pattern Recognition 08-08-64

System for Seven Color LED Wire Bonders

JIANG Yong-jun, WU Xiao-hong, CAO Zhan-lun, LIN Xiao-xin (GuangdongUniversityofTechnology,Guangzhou510090,China) Abstract:Based on the analysis of process of seven color LED wire bonding, the paper designed the scheme of chip and bonding pad teaching module, pattern recognition and bonding position centering module. A pattern recognition system which applied the function of bonding pad recognition and centering automatically in seven color LED wire bonding was developed. By applying the system on manual wire bonder, multi chips and multi lines electronic devices can be bonded automatically, which can improve the productivity and reduce the cost of wire bonding.

Key words:seven color LED; wire bonding; patternrecognition; centering

08-08-51Applications of High Speed Cutting Technology in the Mold Processing

MAI Shao -rong (TheSecond Technical Schools of Shantou, Shantou

515041,China)

Abstract:Inthemodernmold-manufacture,as thecomplexity of product design andproduct aesthetic appearance of theincreased demand, high-speed machining has been used in the mold processing, development and application of new technology into high-speed cutting are important measures, which improve processingefficiency,Product quality,lowermanufacturing costs and shorten lead times and improve the market competitiveness oftheimportantinitiatives.

Key words:high-speed cutting ; processing strategy ; programming process