Interlock互鎖電路在不同驅(qū)動(dòng)器下的實(shí)現(xiàn)

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)、逆變電源等應(yīng)用中，橋式電路是最基本的拓?fù)?，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(dǎo)通方式，即上下管互補(bǔ)開關(guān)，為避免上下管直通，可采用插入死區(qū)的方式把上下管導(dǎo)通時(shí)刻錯(cuò)開。但是，實(shí)際應(yīng)用中微控制器可能因?yàn)槌绦蝈e(cuò)亂或上電過(guò)程中IO默認(rèn)高電平等原因，使得上下管驅(qū)動(dòng)信號(hào)同時(shí)為高電平（有效電平），從而上下管發(fā)生同時(shí)導(dǎo)通（Shoot Through），這將可能帶來(lái)燒壞功率模塊的嚴(yán)重后果。Interlock即互鎖電路就是針對(duì)該工況而設(shè)計(jì)的，可有效提高系統(tǒng)可靠性。

圖1 三相橋式電路

約定HI，LI為高邊、低邊輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)，HO、LO為高邊、低邊輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，有效信號(hào)均為高電平?；ユi邏輯為一旦HI、LI同時(shí)為高，HO、LO就會(huì)同時(shí)輸出低電平，真值表如下：

表1 互鎖真值表

由于實(shí)際應(yīng)用中，針對(duì)不同的應(yīng)用、不同的功率器件，會(huì)選用不同的驅(qū)動(dòng)器，如光耦驅(qū)動(dòng)器、半橋驅(qū)動(dòng)器以及集成驅(qū)動(dòng)的IPM等等，對(duì)應(yīng)的互鎖電路實(shí)現(xiàn)也不盡相同，因此這里針對(duì)這三種常見的驅(qū)動(dòng)器總結(jié)相對(duì)應(yīng)的互鎖電路。

1. 光耦（兼容）驅(qū)動(dòng)器

光耦驅(qū)動(dòng)器是十分經(jīng)典的驅(qū)動(dòng)器件，支持雙電源隔離驅(qū)動(dòng)的特性使其常用于IGBT的驅(qū)動(dòng)上。TI的UCC23513是典型的光耦兼容驅(qū)動(dòng)器，其輸入級(jí)為電子二極管，模擬傳統(tǒng)光耦的二極管輸入。該類輸入為典型“差分”輸入級(jí)，即輸出狀態(tài)取決于兩個(gè)輸入引腳（ANODE和CATHODE）的壓差，這種輸入級(jí)的互鎖電路比較容易實(shí)現(xiàn)，如下電路所示，可以使用一級(jí)緩沖器比如SN74ACT244實(shí)現(xiàn)互鎖功能。

圖2 光耦驅(qū)動(dòng)器互鎖電路

這種設(shè)計(jì)也適用于其他傳統(tǒng)的光耦驅(qū)動(dòng)器或是具有“差分”輸入級(jí)的驅(qū)動(dòng)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(yīng)用上述電路，如下右圖所示。

圖3 (左)ISO5451引腳分布 （右）ISO5451互鎖電路

2. 半橋驅(qū)動(dòng)器

半橋驅(qū)動(dòng)器常用于MOSFET非隔離的驅(qū)動(dòng)，LM5109B是一款典型的半橋驅(qū)動(dòng)器，其框圖如下：

圖4 半橋驅(qū)動(dòng)器

由于半橋驅(qū)動(dòng)器的輸入級(jí)是單端輸入，無(wú)法采用光耦驅(qū)動(dòng)器的互鎖電路。對(duì)于單端輸入，互鎖電路可以利用反向器、緩沖器以及與門實(shí)現(xiàn)，框圖如下：

圖5 邏輯門互鎖電路

容易驗(yàn)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 TI搭建。

圖6 邏輯門互鎖電路實(shí)現(xiàn)

利用PSpice for TI進(jìn)行時(shí)序電路仿真，仿真結(jié)果如下圖，波形從上到下依次為HI/LI/HO/LO，可見仿真結(jié)果與分析相符。

圖7 邏輯門互鎖電路仿真結(jié)果

實(shí)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(shù)量及成本。為此，德州儀器也提供了集成互鎖的半橋驅(qū)動(dòng)器，LM5108是其中的一款，其框圖如下：

圖8 集成互鎖的LM5108框圖

可見，LM5108內(nèi)部同樣利用與門實(shí)現(xiàn)了互鎖邏輯，大大簡(jiǎn)化了外圍設(shè)計(jì)。

3. IPM集成功率模塊

在家電、中小功率變頻或伺服的場(chǎng)合，IPM集成功率模塊廣為應(yīng)用，一款I(lǐng)PM的框圖如下：

圖9 IPM典型框圖

IPM與半橋驅(qū)動(dòng)器一樣都是單端輸入，區(qū)別在于IPM常與光耦或數(shù)字隔離器組成隔離驅(qū)動(dòng)級(jí)，因此，當(dāng)采用光耦作為隔離器件時(shí)，可直接采用上述第一種光耦驅(qū)動(dòng)器互鎖電路。而當(dāng)采用數(shù)字隔離器作為隔離器件時(shí)，則需要在數(shù)字隔離器后加一級(jí)分立互鎖電路，如下圖所示：

圖10 數(shù)字隔離器分立互鎖電路

針對(duì)這類工況，為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，德州儀器新推出了集成互鎖通道的ISO6760L，除了具有5kV等級(jí)增強(qiáng)型絕緣的優(yōu)秀隔離性能，內(nèi)部還集成了三對(duì)互鎖隔離通道， 非常適合IPM的隔離驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合，典型應(yīng)用框圖如下：

圖11集成互鎖的ISO6760L應(yīng)用框圖

本文針對(duì)橋式電路在不同驅(qū)動(dòng)器下的互鎖電路實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了討論，包括光耦驅(qū)動(dòng)器、半橋驅(qū)動(dòng)器以及IPM集成功率模塊等常見驅(qū)動(dòng)器件。在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)不同驅(qū)動(dòng)器類型選擇對(duì)應(yīng)的互鎖電路，針對(duì)半橋驅(qū)動(dòng)器以及IPM，可使用德州儀器集成互鎖功能的半橋驅(qū)動(dòng)和數(shù)字隔離器ISO6760L進(jìn)行簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。

審核編輯：郭婷