基于IR2132的单芯片电源供电三相逆变器的设计

　　0 引言

　　逆变器已广泛用于交流电气传动、UPS等许多技术领域中，其主电路开关器件常采用IGBT或MOSF、ET等全控型器件，该类器件的开关动作需要靠独立的驱动电路来实现，并要求驱动电路的供电电源彼此隔离(如单相桥式逆变主电路需3组独立电源，三相桥式逆变主电路需4组独立电源)，这无疑增加辅助电源的设计困难和成本，同时也使驱动电路变得复杂，降低了逆变器的可靠性。采用如EXB840等专用厚膜集成驱动电路芯片虽然可以简化驱动电路的设计，但每个驱动芯片仍需要一个隔离的供电电源，且每个芯片仅可驱动一个功率开关器件，应用仍有不便。而美国国际整流器公司生产的专用驱动芯片IR2132只需1个供电电源即可驱动三相桥式逆变电路的6个功率开关器件，可以使整个驱动电路变得简单可靠。

　　1 IR2132驱动芯片的特点

　　IR2132可以用来驱动工作在母线电压不高于600 V的电路中的功率MOS门器件，其可输出的最大正向峰值驱动电流为250 mA，而反向峰值驱动电流为500 mA。它内部设计有过流、过压及欠压保护、封锁和指示网络，使用户可方便地用来保护被驱动的MOS门功率管，加之内部自举技术的巧妙运用使其可以用于高压系统，它还可以对同一桥臂上下两个功率器件的门极驱动信号产生O.8μs互锁延时时间。它自身工作和电源电压的范围较宽(3～20 V)，在它的内部还设计有与被驱动的功率器件所通过的电流成线性关系的电流放大器，电路设计还保证了内部的3个通道的高压侧驱动器和低压侧驱动器可单独使用，亦可只用其内部的3个低压侧驱动器，并且输入信号与TTL及CMOS电平兼容。IR2132管脚如图1所示。VBl～VB3是悬浮电源接地端，通过自举电容为3个上桥臂功率管的驱动器提供内部悬浮电源，VSl～VS3是其对应的悬浮电源地端。

　　HINl～HIN3，LINl～LIN3是逆变器上桥臂和下桥臂的驱动信号输入端，低电平有效。

　　ITRIP是过流信号检测输入端，可通过输入电流信号来完成过流或直通保护。

　　CA一，CA0，VSO是内部放大器的反相端、输出端和同相端，可用来完成电流信号检测。

　　H01～H03，L01～L03是逆变器上下桥臂功率开关器件驱动信号输出端。

　　FAULT是过流、直通短路、过压、欠压保护输出端，该端提供一个故障保护的指示信号。它在芯片内部是漏极开路输出端，低电平有效。

　　VCC，VSS是芯片供电电源连接端，VCC接正电源，而VSS接电源地。

　　2 IR2132内部结构及其工作原理

　　IR2132的内部结构如图2所示，它的内部集成有1个电流比较器(Current Comparator)、1个电流放大器(Current Amp)、1个自身工作电源欠电压检测器(Under Voltage Detector)、1个故障处理单元(Fault Logic)及1个清除封锁逻辑单元(Clear Logic)。除上述外，它内部还集成有3个输入信号处理器(Input Signal Generator)、2个脉冲处理和电平移位器(Pulse Generator Level Shifter)、3个上桥臂侧功率管驱动信号锁存器(Latch)、3个上桥臂侧功率管驱动信号与欠压检测器(Under Voltage Detector)及6个低输出阻抗MOS功率管驱动器(Driver)和1个或门电路。

　　正常工作时，输入的6路驱动信号经输入信号处理器处理后变为6路输出脉冲，驱动下桥臂功率管的信号L1～L3经输出驱动器功放后，直接送往被驱动功率器件。而驱动上桥臂功率管的信号H1～H3先经集成于IR2132内部的3个脉冲处理器和电平移位器中的自举电路进行电位变换，变为3路电位悬浮的驱动脉冲，再经对应的3路输出锁存器锁存并经严格的驱动脉冲与否检验之后，送到输出驱动器进行功放后才加到被驱动的功率管。一旦外电流发生过流或直通，即电流检测单元送来的信号高于0.5 V时，则IR2132内部的电流比较器迅速翻转，促使故障逻辑单元输出低电平，一则封锁3路输入脉冲信号处理器的输出，使IR2132的输出全为低电平，保护功率管;同时IR2132的FAULT脚给出故障指示。同样，若发生IR2132的工作电源欠压，则欠压检测器迅速翻转，也会进行类似动作。发生故障后，IR2132内的故障逻辑单元的输出将保持故障闭锁状态。直到故障清除后，在信号输入端LINl～LIN3同时被输入高电平，才可以解除故障闭锁状态。

　　IR2132驱动上桥臂功率管的自举电源电压不足时，则该电路的驱动信号检测器迅速动作，封锁该路输出，避免功率器件因驱动信号不足而损坏。当逆变器同一桥臂上2个功率器件的输入信号同时为高电平，则IR2132输出的2路门极驱动信号全为低电平，从而可靠地避免桥臂直通现象发生。

　　3 采用IR2132的逆变器电路结构

　　3.1 控制电路

　　采用了一种新型的预制相位PWM波的数字控制方案，逆变器6个开关管的开关状态同某一调制比的SPWM脉冲相对应，其出发点是由一片EP-ROM来存储这6个开关管的开关状态，预置于EPROM内的由多种方式产生，常见的是先计算出来，对应于不同的基波频率，按一定规律算出相对应的脉宽，再转换成数值，存储在EPROM内，EPROM的输出与IR2132的HINl～HIN3，LINl～LIN3相连接。同一桥臂开关管之间相位互差120°，同桥臂上下开关互补导通且有死区。其SPWM波生成电路原理如图3所示。

　　3.2 驱动电路

　　采用IR2132芯片驱动逆变器功率管时，其基本主电路不需改变，仍可用典型的三相电压型逆变电路，为便于表示，图4中画出了IR2132驱动中1个桥臂的电路示意图。图中C1是自举电容，为上桥臂功率管驱动的悬浮电源存储能量，VD1的作用是防止上桥臂导通时的直流电压母线电压加到IR2132的电源上而使器件损坏，因此VD1应有足够的反向耐压，当然由于VD1与C1串联，为了满足主电路功率管开关频率的要求，VD1应选快速恢复二极管。R1和R2是IGBT的门极驱动电阻，一般可采用10到几十欧姆。R3和R4组成过流检测电路，其中R3是过流取样电阻，R4是作为分压用的可调电阻。IR2132的HINl～HIN3，LINl～LIN3作为功率管的输入驱动信号与SPWM波生成电路的EPROM连接。其容量取决于被驱动功率器件的开关频率、占空比以及充电回路电阻，必须保证电容充电到足够的电压，而放电时其两端电压不低于欠电压保护动作值，当被驱动的开关频率大于5 kHz时，该电容值不小于0.1μF，且以瓷片电容为好。