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      Interlock互鎖電路在不同驅動器下的實現

      作者:時間:2022-10-25來源:TI收藏

      在電機驅動、逆變電源等應用中,橋式電路是最基本的拓撲,典型三相橋式逆變電路如下圖1所示。而橋式電路中的任一橋臂,其上下管一般采用180°導通方式,即上下管互補開關,為避免上下管直通,可采用插入死區的方式把上下管導通時刻錯開。但是,實際應用中微控制器可能因為程序錯亂或上電過程中IO默認高電平等原因,使得上下管驅動信號同時為高電平(有效電平),從而上下管發生同時導通(Shoot Through),這將可能帶來燒壞功率模塊的嚴重后果。即互就是針對該工況而設計的,可有效提高系統可靠性。

      本文引用地址:http://www.tpagfe.com/article/202210/439543.htm


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      圖1 三相橋式電路


      約定HI,LI為高邊、低邊輸入驅動信號,HO、LO為高邊、低邊輸出驅動信號,有效信號均為高電平?;ユi邏輯為一旦HI、LI同時為高,HO、LO就會同時輸出低電平,真值表如下:


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      表1 互鎖真值表


      由于實際應用中,針對不同的應用、不同的功率器件,會選用不同的驅動器,如光耦驅動器、半橋驅動器以及集成驅動的IPM等等,對應的互實現也不盡相同,因此這里針對這三種常見的驅動器總結相對應的互。


      1. 光耦(兼容)驅動器


      光耦驅動器是十分經典的驅動器件,支持雙電源隔離驅動的特性使其常用于IGBT的驅動上。的UCC23513是典型的光耦兼容驅動器,其輸入級為電子二極管,模擬傳統光耦的二極管輸入。該類輸入為典型“差分”輸入級,即輸出狀態取決于兩個輸入引腳(ANODE和CATHODE)的壓差,這種輸入級的互鎖電路比較容易實現,如下電路所示,可以使用一級緩沖器比如SN74ACT244實現互鎖功能。


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      圖2 光耦驅動器互鎖電路


      具體的電路參數設計以及波形測試可以參考DA-010025和《ing gate drivers for improving the robustness of three-phase inverters》,這里不再贅述。這種設計也適用于其他傳統的光耦驅動器或是具有“差分”輸入級的驅動器,如下左圖為ISO5451引腳分布圖,其輸入引腳為正反相邏輯輸入,同樣可以應用上述電路,如下右圖所示。


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      圖3 (左)ISO5451引腳分布        (右)ISO5451互鎖電路


      2. 半橋驅動器


      半橋驅動器常用于MOSFET非隔離的驅動,LM5109B是一款典型的半橋驅動器,其框圖如下:


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      圖4 半橋驅動器


      由于半橋驅動器的輸入級是單端輸入,無法采用光耦驅動器的互鎖電路。對于單端輸入,互鎖電路可以利用反向器、緩沖器以及與門實現,框圖如下:


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      圖5 邏輯門互鎖電路


      容易驗證,上述組合電路滿足互鎖真值表,下圖為利用SN74ACT244(緩沖器)、SN74ACT240(反相器)和SN74ACT08組成的互鎖電路,電路由PSpice for 搭建。


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      圖6 邏輯門互鎖電路實現


      利用PSpice for TI進行時序電路仿真,仿真結果如下圖,波形從上到下依次為HI/LI/HO/LO,可見仿真結果與分析相符。


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      圖7 邏輯門互鎖電路仿真結果


      實際使用中,如果使用上述分立器件搭建互鎖電路,則需要占用較多的PCB面積,也額外增加了器件數量及成本。為此,德州儀器也提供了集成互鎖的半橋驅動器,LM5108是其中的一款,其框圖如下:


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      圖8 集成互鎖的LM5108框圖


      可見,LM5108內部同樣利用與門實現了互鎖邏輯,大大簡化了外圍設計。


      3. IPM集成功率模塊


      在家電、中小功率變頻或伺服的場合,IPM集成功率模塊廣為應用,一款IPM的框圖如下:


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      圖9 IPM典型框圖


      IPM與半橋驅動器一樣都是單端輸入,區別在于IPM常與光耦或數字隔離器組成隔離驅動級,因此,當采用光耦作為隔離器件時,可直接采用上述第一種光耦驅動器互鎖電路。而當采用數字隔離器作為隔離器件時,則需要在數字隔離器后加一級分立互鎖電路,如下圖所示:


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      圖10 數字隔離器分立互鎖電路


      針對這類工況,為簡化設計,德州儀器新推出了集成互鎖通道的ISO6760L,除了具有5kV等級增強型絕緣的優秀隔離性能,內部還集成了三對互鎖隔離通道, 非常適合IPM的隔離驅動場合,典型應用框圖如下:


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      圖11集成互鎖的ISO6760L應用框圖


      本文針對橋式電路在不同驅動器下的互鎖電路實現進行了討論,包括光耦驅動器、半橋驅動器以及IPM集成功率模塊等常見驅動器件。在實際應用中可根據不同驅動器類型選擇對應的互鎖電路,針對半橋驅動器以及IPM,可使用德州儀器集成互鎖功能的半橋驅動和數字隔離器ISO6760L進行簡化設計。




      關鍵詞: TI 鎖電路 Interlock

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