IR2136S：高壓三相全橋柵極驅(qū)動器深度解析

IR2136S是一款由國際整流器公司（International Rectifier，現(xiàn)為英飛凌科技公司的一部分）設(shè)計(jì)和制造的高壓、高速三相柵極驅(qū)動器IC。它專門用于驅(qū)動各種功率半導(dǎo)體器件，如MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）和IGBT（絕緣柵雙極晶體管），尤其是在三相電機(jī)控制、逆變器和電源應(yīng)用中。這款集成電路的核心價(jià)值在于其將復(fù)雜的驅(qū)動功能集成在一個(gè)緊湊的封裝中，簡化了設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可靠性，并降低了成本。

核心功能與應(yīng)用領(lǐng)域

IR2136S的主要功能是提供高邊和低邊功率器件所需的柵極驅(qū)動信號，并且能夠承受高壓差分信號。在高壓應(yīng)用中，傳統(tǒng)的驅(qū)動方案往往需要復(fù)雜的自舉電路或隔離電源，而IR2136S通過其獨(dú)特的自舉技術(shù)，簡化了高邊驅(qū)動的設(shè)計(jì)。

1. 三相電機(jī)控制： 這是IR2136S最典型的應(yīng)用領(lǐng)域。在交流（AC）電機(jī)，特別是永磁同步電機(jī)（PMSM）和無刷直流電機(jī)（BLDC）的矢量控制或梯形波控制中，需要精確地控制六個(gè)功率開關(guān)（通常是MOSFET或IGBT）的開關(guān)時(shí)序。IR2136S能夠同時(shí)驅(qū)動這六個(gè)開關(guān)，提供高、低側(cè)獨(dú)立控制，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高效、平穩(wěn)運(yùn)行。例如，在工業(yè)自動化、電動汽車、家用電器（如空調(diào)、洗衣機(jī)）和風(fēng)力發(fā)電逆變器中，IR2136S發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

2. 不間斷電源（UPS）： 在UPS系統(tǒng)中，將直流電轉(zhuǎn)換為交流電以供電給負(fù)載是核心功能之一。IR2136S可以用于驅(qū)動逆變級中的功率開關(guān)，確保在主電源中斷時(shí)能夠快速、可靠地切換到電池供電，并提供高質(zhì)量的交流輸出。

3. 太陽能逆變器： 太陽能電池板產(chǎn)生的直流電需要通過逆變器轉(zhuǎn)換為交流電才能并入電網(wǎng)或供負(fù)載使用。IR2136S在此類逆變器中用于驅(qū)動IGBT或MOSFET，實(shí)現(xiàn)高效的DC-AC轉(zhuǎn)換。其高壓承受能力和 robust 的設(shè)計(jì)使其非常適合此類應(yīng)用。

4. 感應(yīng)加熱： 感應(yīng)加熱設(shè)備通常利用高頻電流在工件中產(chǎn)生渦流以加熱。IR2136S可以驅(qū)動感應(yīng)線圈的功率開關(guān)，實(shí)現(xiàn)精確的功率控制和高效率的加熱過程。

5. 各種高壓逆變器和轉(zhuǎn)換器： 除了上述應(yīng)用，IR2136S還廣泛應(yīng)用于其他需要驅(qū)動高壓功率半導(dǎo)體器件的場合，例如高壓直流-直流轉(zhuǎn)換器、電焊機(jī)等。

主要特性詳解

IR2136S之所以在這些應(yīng)用中表現(xiàn)出色，得益于其一系列先進(jìn)的特性：

• 高壓擺幅能力： IR2136S能夠驅(qū)動高達(dá)600V或1200V（取決于具體型號，IR2136S通常指600V系列）的母線電壓。這意味著它可以直接在市電電壓或更高的直流母線電壓下工作，無需額外的降壓電路，從而簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

• 柵極驅(qū)動電流： 柵極驅(qū)動電流是決定功率開關(guān)開關(guān)速度的關(guān)鍵參數(shù)。IR2136S提供足夠的峰值源/拉電流（通常在幾百毫安到安培級別），以快速充放電功率器件的柵極電容，確保快速開關(guān)，從而降低開關(guān)損耗。

• 自舉操作（Bootstrap Operation）： 這是IR2136S最核心的特性之一。對于高邊（High-side）開關(guān)，其源極電壓是浮動的，且在開關(guān)過程中會快速變化。傳統(tǒng)的驅(qū)動方案需要獨(dú)立的隔離電源為高邊驅(qū)動器供電，這增加了復(fù)雜性和成本。IR2136S通過內(nèi)部自舉二極管和外部自舉電容，在低邊開關(guān)導(dǎo)通時(shí)自動為高邊驅(qū)動電路充電，從而為高邊開關(guān)提供浮動電源。這種設(shè)計(jì)極大地簡化了高邊驅(qū)動的實(shí)現(xiàn)。

• 欠壓鎖定（Under-Voltage Lockout, UVLO）： 為了保護(hù)功率器件和驅(qū)動IC本身，IR2136S集成了UVLO功能。當(dāng)驅(qū)動IC的供電電壓低于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，UVLO電路將關(guān)閉所有輸出，防止在供電不足時(shí)功率器件工作在非正常狀態(tài)，從而避免器件損壞。一旦電壓恢復(fù)到正常范圍，驅(qū)動器將重新激活。

• 死區(qū)時(shí)間保護(hù)（Dead-time Protection）： 在半橋或全橋拓?fù)渲校绻哌吅偷瓦呴_關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，會造成電源短路，形成“直通”，從而導(dǎo)致功率器件的損壞。IR2136S內(nèi)置死區(qū)時(shí)間生成電路，確保在高邊和低邊開關(guān)切換時(shí)，在其中一個(gè)關(guān)閉后和另一個(gè)開啟前，存在一個(gè)短暫的非導(dǎo)通時(shí)間（即死區(qū)時(shí)間），有效防止直通。這個(gè)死區(qū)時(shí)間通常是可編程的或固定的。

• 共模dv/dt抑制： 在高壓大電流開關(guān)應(yīng)用中，存在快速變化的電壓（dv/dt）。這種共模dv/dt可能會通過寄生電容耦合到控制電路，導(dǎo)致誤觸發(fā)或噪聲干擾。IR2136S設(shè)計(jì)有良好的共模瞬態(tài)抗擾度，能夠有效抑制這些干擾，確保驅(qū)動信號的穩(wěn)定性。

• 故障報(bào)告（Fault Reporting）： 某些型號的IR2136S具有故障檢測和報(bào)告功能，例如過流、過熱或欠壓故障。當(dāng)檢測到故障時(shí)，驅(qū)動器會禁用輸出，并通過一個(gè)專門的引腳（如FLT引腳）輸出故障信號，以便主控制器采取保護(hù)措施。

• 引腳兼容性與封裝： IR2136S通常采用緊湊的表面貼裝封裝，如SOIC或DIP，方便PCB布局和自動化生產(chǎn)。其引腳配置也通常經(jīng)過優(yōu)化，以便于布線和與微控制器（MCU）的接口。

• 施密特觸發(fā)輸入： 控制輸入引腳通常具有施密特觸發(fā)特性，這意味著它們具有滯回效應(yīng)，能夠有效抑制輸入信號的噪聲，提高控制信號的穩(wěn)定性。

工作原理剖析

IR2136S的工作原理可以從其內(nèi)部模塊和信號流動的角度進(jìn)行理解：

1. 輸入邏輯： IR2136S接收來自微控制器或DSP的低壓PWM（脈沖寬度調(diào)制）信號作為控制輸入。這些輸入信號通常通過施密特觸發(fā)器進(jìn)行緩沖和去噪處理，確保只有干凈、穩(wěn)定的信號才能進(jìn)入內(nèi)部邏輯。

2. 浮動電平轉(zhuǎn)換（Level Shifting）： 這是高邊驅(qū)動的關(guān)鍵部分。對于低邊驅(qū)動，其參考地與控制器的地是相同的，因此直接驅(qū)動即可。但對于高邊驅(qū)動，其源極（輸出引腳）會隨著輸出電壓的擺動而浮動。IR2136S內(nèi)部的電平轉(zhuǎn)換電路負(fù)責(zé)將地參考的PWM信號轉(zhuǎn)換為高邊所需的浮動電平信號。這個(gè)過程通常涉及高速的隔離電路或脈沖變壓器（在某些更復(fù)雜的驅(qū)動器中，但I(xiàn)R2136S主要依靠自舉）。

3. 自舉電路（Bootstrap Circuit）： 這是高邊驅(qū)動的核心。當(dāng)?shù)瓦呴_關(guān)導(dǎo)通時(shí)，自舉電容通過內(nèi)部自舉二極管和外部的自舉電阻（如果需要）從VCC供電電壓充電。當(dāng)?shù)瓦呴_關(guān)關(guān)斷，高邊開關(guān)需要導(dǎo)通時(shí)，這個(gè)充滿電的自舉電容就作為高邊驅(qū)動電路的浮動電源。需要注意的是，為了確保自舉電容能夠及時(shí)充電，高邊開關(guān)不能長時(shí)間保持導(dǎo)通狀態(tài)，或者需要在特定時(shí)間（例如PWM波形中低邊導(dǎo)通時(shí)）讓低邊開關(guān)短暫導(dǎo)通以進(jìn)行充電。

4. 死區(qū)時(shí)間生成器： 在高邊和低邊驅(qū)動信號之間，死區(qū)時(shí)間生成器會插入一個(gè)預(yù)設(shè)的延遲。例如，當(dāng)一個(gè)PWM輸入信號從高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)（關(guān)閉一個(gè)開關(guān)），死區(qū)時(shí)間生成器會確保相應(yīng)的驅(qū)動輸出立刻關(guān)閉。而當(dāng)PWM輸入信號從低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)（開啟另一個(gè)開關(guān)），死區(qū)時(shí)間生成器會在一定延遲后才開啟相應(yīng)的驅(qū)動輸出。這樣就避免了同時(shí)導(dǎo)通的情況。

5. 柵極驅(qū)動輸出級： 這是功率MOSFET或IGBT的柵極直接連接的部分。驅(qū)動輸出級通常由一個(gè)推挽（Push-Pull）結(jié)構(gòu)組成，能夠提供足夠的峰值電流來快速充放電柵極電容。輸出級的設(shè)計(jì)優(yōu)化了開通和關(guān)斷時(shí)的上升和下降時(shí)間，以最小化開關(guān)損耗。

6. 保護(hù)電路： UVLO電路持續(xù)監(jiān)測供電電壓，一旦低于閾值就關(guān)閉所有驅(qū)動輸出。有些IR2136S型號還集成了過流保護(hù)功能，通過檢測外部電流采樣電阻上的電壓降來判斷是否發(fā)生過流，并在檢測到過流時(shí)迅速關(guān)閉驅(qū)動器，從而保護(hù)功率器件免受損壞。故障報(bào)告引腳則用于向主控制器發(fā)送故障信號。

設(shè)計(jì)考量與注意事項(xiàng)

在使用IR2136S進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮以下幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：

• 電源旁路電容： 在VCC和COM之間，以及VBS和VS之間，需要放置合適的去耦電容（通常是陶瓷電容），以提供穩(wěn)定的局部電源并抑制高頻噪聲。這些電容應(yīng)盡可能靠近IR2136S的引腳放置。

• 自舉電容的選擇： 自舉電容（C_BOOT）的大小至關(guān)重要。它需要足夠大，以在高邊開關(guān)導(dǎo)通期間提供足夠的電荷，但也不能過大，否則充電時(shí)間會過長。其容量通常取決于功率器件的柵極電荷（Qg）、開關(guān)頻率以及允許的電壓跌落。

• 死區(qū)時(shí)間設(shè)定： 必須根據(jù)所選的功率器件的開關(guān)特性來設(shè)置合適的死區(qū)時(shí)間。過短的死區(qū)時(shí)間可能導(dǎo)致直通，而過長的死區(qū)時(shí)間會增加諧波失真和損耗。IR2136S通常內(nèi)置固定或可編程的死區(qū)時(shí)間。

• 布線（Layout）考量： 良好的PCB布局對于優(yōu)化IR2136S的性能至關(guān)重要。驅(qū)動回路（特別是柵極驅(qū)動回路）應(yīng)盡可能短且粗，以減少寄生電感和電阻。功率回路和控制回路應(yīng)分開布線，以減少噪聲耦合。地線布局也需要特別注意，以避免地彈和共模噪聲。

• 散熱： 盡管IR2136S的功耗相對較低，但在高頻和大電流應(yīng)用中，仍需考慮其自身的散熱。確保IC工作在推薦的溫度范圍內(nèi)，可以通過合理的PCB布局和適當(dāng)?shù)纳岽胧﹣砀纳啤?/span>

• 輸入信號兼容性： 確保微控制器或DSP提供的PWM信號與IR2136S的輸入邏輯電平兼容。

• 故障保護(hù)和響應(yīng)： 如果IR2136S提供故障報(bào)告功能，應(yīng)在主控制器中編寫相應(yīng)的代碼來響應(yīng)這些故障信號，例如關(guān)閉PWM輸出，記錄故障信息，并采取其他保護(hù)措施。

• VS引腳的負(fù)電壓瞬態(tài)： 在某些應(yīng)用中，由于功率器件寄生電感和二極管反向恢復(fù)電流的影響，VS引腳（浮動地）可能會出現(xiàn)短暫的負(fù)電壓瞬態(tài)。IR2136S設(shè)計(jì)上能夠承受一定的負(fù)電壓（例如-5V），但如果負(fù)電壓過大或持續(xù)時(shí)間過長，可能需要增加肖特基二極管或RC緩沖電路來鉗位和抑制。

總結(jié)

IR2136S作為一款成熟可靠的三相柵極驅(qū)動器IC，極大地簡化了高壓三相功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。它集成了高壓驅(qū)動、自舉電路、死區(qū)時(shí)間控制和多種保護(hù)功能于一體，使得工程師能夠更專注于系統(tǒng)級的性能優(yōu)化，而非底層的驅(qū)動電路設(shè)計(jì)。隨著電力電子技術(shù)在工業(yè)、汽車和可再生能源領(lǐng)域的不斷發(fā)展，IR2136S及其后續(xù)產(chǎn)品將繼續(xù)發(fā)揮關(guān)鍵作用，推動電機(jī)控制和功率轉(zhuǎn)換技術(shù)的進(jìn)步。