美國(guó)TFSS公司的TF2110芯片是一種雙通道、柵極驅(qū)動(dòng)、高壓高速功率器件的單片式集成驅(qū)動(dòng)模塊。由于它具有體積小、成本低、集成度高、響應(yīng)速度快、偏值電壓高、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，自推出以來(lái)，這種適于功率MOSFET、IGBT驅(qū)動(dòng)的自舉式集成電路在電機(jī)調(diào)速、電源變換等功率驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。
● The floating high-side operates to 600V
● 2.5A sink / 2.5A source typical output currents
● Outputs tolerant to negative transients
● Wide gate driver supply voltage range: 10V to 20V
● Wide logic input supply voltage range: 3.3V to 20V
● Wide logic supply offset voltage range: -5V to 5V
● 15 ns(typ) rise / 13 ns (typ) fall times with 1000 pF load
● 105 ns (typ) turn-on / 94 ns (typ) turn-off delay times
● Cycle-by-cycle edge-triggered shutdown circuitry
TF2110采用先進(jìn)的自舉電路和電平轉(zhuǎn)換技術(shù)，大大簡(jiǎn)化了邏輯電路對(duì)功率器件的控制要求，使得每對(duì)MOSFET（上下管）可以共用一片TF2110，并且所有的TF2110可共用一路獨(dú)立電源。對(duì)于典型的6管構(gòu)成的三相橋式逆變器，可采用3片TF2110驅(qū)動(dòng)3個(gè)橋臂，僅需1路10V～20V電源。這樣，在工程上大大減少了驅(qū)動(dòng)電路的體積和電源數(shù)目，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)可靠性。
TF2110浮置電源采用自舉電路，其高端工作電壓可達(dá)600V，工作頻率可達(dá)到500kHz，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。它由三個(gè)部分組成：邏輯輸入，電平平移及輸出保護(hù)。TF2110采用CMOS工藝制作，邏輯電源電壓范圍為3.3V~20V，適應(yīng)TTL或CMOS邏輯信號(hào)輸入，具有獨(dú)立的高端和低端2個(gè)輸出通道，兩路通道均帶有滯后欠壓鎖定功能。由于邏輯信號(hào)均通過(guò)電平耦合電路連接到各自的通道上，容許邏輯電路參考地（Vss）與功率電路參考地（COM）之間有5V的偏移量，并且能屏蔽小于50ns的脈沖，有較理想的抗噪聲效果。
圖1 TF2110內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
圖2 TF2110典型應(yīng)用電路
當(dāng)輸入邏輯信號(hào)HIN/LIN=1時(shí)，輸出信號(hào)HO/LO=1，控制MOSFET導(dǎo)通;當(dāng)HIN/LIN=0時(shí)，HO/LO=0，控制MOSFET關(guān)斷，其SD輸入可以用來(lái)閉鎖這二路驅(qū)動(dòng)。如果這兩路驅(qū)動(dòng)電壓小于8.3V，輸出信號(hào)會(huì)因欠壓而被片內(nèi)封鎖。輸出柵極驅(qū)動(dòng)電壓的范圍為10V~20V，其電平典型轉(zhuǎn)換時(shí)間為：Ton=105ns，Toff=94ns。死區(qū)時(shí)間的典型值為10ns，內(nèi)置的死區(qū)電路可以防止由于MOS器件關(guān)斷延時(shí)造成的直臂導(dǎo)通現(xiàn)象，提高了系統(tǒng)的可靠性。
永磁無(wú)刷直流電機(jī)是隨著高性能永磁材料、電機(jī)控制技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型電機(jī)，它既具有交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，又具備直流電機(jī)運(yùn)行效率高、無(wú)勵(lì)磁損耗及調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，而且還具有功率密度高，低轉(zhuǎn)速，大轉(zhuǎn)矩的特點(diǎn)。它的應(yīng)用已從最初的軍事工業(yè)，向航空航天、醫(yī)療、信息、家電以及工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域迅速發(fā)展。
圖3是由TF2110組成的BLDC驅(qū)動(dòng)電路原理圖（單橋臂）。此驅(qū)動(dòng)電路采用以3片TF2110為中心的6個(gè)N溝道的MOSFET管組成的三相全橋逆變電路，僅對(duì)上橋臂功率MOSFET管進(jìn)行PWM調(diào)制的控制方式。其輸入是以功率地為地的PWM波，送到TF2110的輸入端口，輸出控制N溝道的功率驅(qū)動(dòng)管MOSFET的開(kāi)關(guān)，由此驅(qū)動(dòng)BLDC。
BLDC功率驅(qū)動(dòng)電路中下橋臂三路功率管靠Vcc（+15V）經(jīng)TF2110芯片內(nèi)部MOS管控制開(kāi)通，上橋臂三路功率管的柵極驅(qū)動(dòng)電源是通過(guò)自舉電容充電儲(chǔ)能實(shí)現(xiàn)的。如圖3，C1和D1分別為自舉電容和二極管，C2為Vcc的濾波電容。假定在Q1關(guān)斷期間C1已充到足夠的電壓（Vc1Vcc）。當(dāng)腳10（HIN）為高電平時(shí)，Vc1加到Q1的柵極和源極之間，C1通過(guò)Rg1和Q1柵極-源極電容Cge1放電，Cge1被充電，此時(shí)Vc1可等效為一個(gè)電壓源。當(dāng)腳10（HIN）為低電平時(shí)，Q1柵電荷經(jīng)Rg1、Dg1、Rx1等迅速釋放，Q1關(guān)斷。經(jīng)短暫的死區(qū)時(shí)間（td）之后，另一路TF2110控制Q2開(kāi)通，Vcc經(jīng)D1、Q2給C1充電，迅速為C1補(bǔ)充能量，如此循環(huán)反復(fù)實(shí)現(xiàn)自舉式驅(qū)動(dòng)。
如果C1經(jīng)負(fù)載充電緩慢，在HIN=1時(shí)自舉電容C1的電壓仍充電不到自舉電壓8.3V以上時(shí)，輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)會(huì)因欠壓被片內(nèi)邏輯封鎖，Q1就無(wú)法工作，因此自舉電容的選擇十分重要，選擇不當(dāng)易造成芯片損壞或不能正常工作。自舉電容的容量取決于被驅(qū)動(dòng)的功率MOSFET管開(kāi)關(guān)頻率、導(dǎo)通和關(guān)斷占空比以及柵極充電電流的需要。由于此無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路在工作的任意一時(shí)刻下橋臂均有一功率MOSFET管導(dǎo)通，而且系統(tǒng)采用的是上橋臂PWM調(diào)制方式，因此，驅(qū)動(dòng)電路中的自舉電容充電時(shí)間比提供驅(qū)動(dòng)電源的時(shí)間長(zhǎng)，自舉電容充電較容易，故可以選擇較大容值，此驅(qū)動(dòng)電路選擇1uF的電解電容。
TF2110的開(kāi)通與關(guān)斷傳輸延遲時(shí)間基本匹配，開(kāi)通傳輸延遲時(shí)間比關(guān)斷傳輸延遲時(shí)間長(zhǎng)25ns，這保證了同一橋臂的功率管在工作時(shí)不會(huì)發(fā)生同時(shí)導(dǎo)通，從而避免了直通故障的發(fā)生。為了進(jìn)一步提高安全性，使功率管\慢開(kāi)快關(guān)\，在功率管的柵極分別串聯(lián)上電阻Rg和二極管Dg。TF2110的驅(qū)動(dòng)脈沖上升沿取決于Rg，Rg值不能過(guò)大以免使其驅(qū)動(dòng)脈沖的上升沿不陡，但也不能過(guò)小使驅(qū)動(dòng)均值電流過(guò)大而損壞TF2110。
本文設(shè)計(jì)了基于功率驅(qū)動(dòng)芯片TF2110的無(wú)刷直流電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路，并對(duì)相關(guān)器件進(jìn)行了選型設(shè)計(jì)，本電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)。經(jīng)在某試驗(yàn)樣機(jī)上驗(yàn)證表明，此電路實(shí)現(xiàn)方案是有效可行的。
