Перейти к содержанию

IR2104 и IR2104S — полумостовой драйвер со встроенным мёртвым временем

IR2104 управляет двумя N-канальными MOSFET или IGBT полумоста от одного входа: верхний ключ повторяет вход, нижний работает в противофазе, а паузу между ними 520 нс микросхема вставляет сама. Выводы, параметры, бутстрепное питание, вход отключения SD и сравнение с IR2110 и IRS2104 — по даташиту Infineon (International Rectifier) и записке AN-1104.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

IR2104 и его SOIC-версия IR2104S — драйверы верхнего и нижнего ключа полумоста на MOSFET или IGBT с плавающим верхним каналом до 600 В. От IR2110 их отличает логика: один вход IN управляет обоими ключами в противофазе, вход SD отключает оба, а мёртвое время 520 нс встроено в микросхему — микроконтроллеру не нужно формировать два сигнала с паузой, и сквозной ток по вине программы исключён. Цена — ток выхода 130/270 мА и задержка включения 680 нс.

Коротко

Напряжение верхнего плеча VS
до 600 В; VB предельно 625 В
Ток выхода
130 мА вытекающий и 270 мА втекающий минимум (210 и 360 мА типично), импульс ≤ 10 мкс
Мёртвое время
520 нс типично, 400–650 нс
Задержки при 1000 пФ
включение 680 нс, выключение 150 нс типично
Питание VCC и VBS
10–20 В; UVLO 8,9 В вверх и 8,2 В вниз типично
Входы
IN и SD (активный низкий): единица от 3 В, ноль до 0,8 В

Выводы

IR2104, IR2104S, вид сверху: 1 VCC, 2 IN, 3 SD, 4 COM, 5 LO, 6 VS, 7 HO, 8 VBIR21041VCC2IN3SD4COM5LO6VS7HO8VBвид сверху
IR2104 в корпусе PDIP-8 и IR2104S в SOIC-8, вид сверху; выводы совпадают
ВыводНазваниеНазначение по даташиту
1VCCпитание нижнего канала и логики, 10–20 В
2INлогический вход; HO в фазе с ним, LO — в противофазе
3SDотключение обоих выходов низким уровнем
4COMобщий вывод нижнего канала
5LOвыход на затвор нижнего ключа
6VSплавающий общий верхнего канала — средняя точка полумоста
7HOвыход на затвор верхнего ключа
8VBплавающее питание верхнего канала

Логика работы

По временной диаграмме даташита (рис. 1): при единице на SD выход HO повторяет IN, LO — его инверсия, между выключением одного выхода и включением другого выдерживается пауза DT. Низкий уровень на SD переводит оба выхода в ноль за tsd — 160 нс типично.

INSDHOLO
1110
0101
любой000

Параметры

Предельные значения относительно COM; рабочие — при VCC = VBS = 15 В и 25 °C, динамические — с нагрузкой 1000 пФ.

Предельные режимы: VB до 625 В, VS от VB − 25 В до VB + 0,3 В, VCC до 25 В, скорость изменения VS — 50 В/нс.

ПараметрЗначениеУсловия
VS рабочеедо 600 Влогика работает при VS от −5 В (примечание 1)
VBS рабочее (VB − VS)10–20 В
VCC рабочее10–20 В
Вход IN и SD: VIH / VILне ниже 3 В / не выше 0,8 ВVCC 10–20 В
Ток выхода IO+ (в единице)130 мА мин., 210 мА типичноVO = 0, импульс ≤ 10 мкс
Ток выхода IO− (в нуле)270 мА мин., 360 мА типичноVO = 15 В, импульс ≤ 10 мкс
UVLO по VCC: порог вверх / вниз8,0–9,8 В (8,9 типично) / 7,4–9 В (8,2 типично)
Ток покоя IQCC / IQBS150 / 30 мкА типично, 270 / 55 мкА макс.вход 0 или 5 В
Утечка VB при 600 Вдо 50 мкАVB = VS = 600 В
Задержка включения ton680 нс типично, 820 нс макс.VS = 0
Задержка выключения toff150 нс типично, 220 нс макс.VS = 600 В
Задержка отключения tsd160 нс типично, 220 нс макс.
Фронт tr / спад tf100 / 50 нс типично, 170 / 90 нс макс.1000 пФ
Мёртвое время DT400–650 нс, 520 нс типично
Рассогласование каналов MTдо 60 нс
Мощность / RθJA1,0 Вт / 125 °C/Вт (PDIP), 0,625 Вт / 200 °C/Вт (SOIC)TA ≤ 25 °C

Порог единицы 3 В оставляет 3,3-вольтовому микроконтроллеру запас всего 0,3 В; у IRS2104 он снижен до 2,5 В (AN-1104). Блокировка по пониженному напряжению есть только по VCC: у верхнего канала своего UVLO в таблицах нет, за VBS следит разработчик.

Типовое включение

Схема из даташита: VCC через быстрый диод на VB, бутстрепный конденсатор между VB и VS, HO и LO через резисторы на затворы, VS — к средней точке полумоста, COM — к истоку нижнего ключа, керамика между VCC и COM. Шина до 600 В.

  • Бутстреп. Конденсатор заряжается от VCC через диод, пока открыт нижний ключ. Расчёт ёмкости — в статье о бутстрепном конденсаторе и на карточке IR2110. Для ориентира: заряд затвора 72 нКл (IRF540) снимает с 1 мкФ всего 72 мВ (наш расчёт), так что 0,47–1 мкФ керамики хватает, если ключ не держат открытым долго. Диод даташит не нормирует: он должен выдерживать напряжение шины и быть быстрым.
  • VCC. 10–20 В; ниже 8,2–9 В сработает UVLO и оба выхода уйдут в ноль. При VCC = 15 В на затворах около 15 В — транзисторы с пределом затвора ±10 или ±12 В, например IRLZ44, не подходят.
  • VS. Логика работает при VS от −5 В; больший выброс ниже COM при выключении верхнего ключа сбивает состояние (примечание 1). Короткие дорожки у средней точки и резисторы в затворах обязательны.
  • Ток затвора. 130/270 мА — немного: затвор IRF540 с Qg = 72 нКл IR2104 зарядит не быстрее чем за 72 нКл / 210 мА ≈ 0,35 мкс (наш расчёт при типичном токе), IR2110 с 2 А — за ~40 нс. Для больших ключей и частот выше десятков килогерц IR2104 не подходит.

Почему N-канальному верхнему ключу вообще нужно плавающее питание — в ответе «Почему N-канальный MOSFET в плюсовом проводе не открывается полностью?».

Сравнение с IR2110 и IRS2104

ПараметрIR2104IRS2104 (AN-1104)IR2110
ВходыIN + SD, выходы в противофазето же, вывод в выводHIN и LIN независимые
Мёртвое время520 нс встроено520 нс встроенонет, задаёт контроллер
Ток выхода IO+ / IO−130 / 270 мА мин. (210 / 360 типично)130 / 270 мА мин. (290 / 600 типично)2 А / 2 А
Фронт / спад на 1000 пФ100 / 50 нс70 / 35 нс25 / 17 нс
Порог единицы на входе3 В2,5 Впропорционален VDD
VSдо 600 Вдо 600 Вдо 500 В (IR2113 — 600 В)
КорпусPDIP-8, SOIC-8PDIP-8, SOIC-8PDIP-14, SOIC-16

Значения IR2110 — с его карточки. По AN-1104, IRS2104 заменяет IR2104 без изменения схемы.

Частые ошибки

  • SD в воздухе. Выход непредсказуем; вывод подтягивают к VCC через резистор или ведут на микроконтроллер.
  • Постоянная единица на IN. Бутстреп разряжается, верхний ключ переходит в линейный режим и греется; нужен хотя бы короткий ноль для подзарядки.
  • Расчёт на мёртвое время как на достаточное. 400–650 нс хватает MOSFET, но медленному IGBT с хвостом тока может не хватить; регулировать DT нельзя.
  • Длинная земля COM с силовым током: выбросы на VS ниже −5 В сбивают логику.
  • Работа на 200 кГц и выше. Задержка 680 нс и два мёртвых времени съедают заметную долю периода.

Другие драйверы ключей — в разделе «Драйверы».

Частые вопросы

Чем IR2104 отличается от IR2110?

У IR2104 один вход IN и вход отключения SD: верхний выход повторяет вход, нижний инвертирует, а паузу 520 нс микросхема вставляет сама — открыть оба ключа одновременно нельзя. У IR2110 входы HIN и LIN независимые, мёртвого времени нет, зато ток выхода 2 А против 130/270 мА, отдельное питание логики VDD и корпус DIP-14. IR2104 проще и дешевле, IR2110 быстрее и гибче.

Как подключить вход SD у IR2104?

SD — активный низкий уровень: на схеме типового включения в даташите он обозначен с чертой, и по временной диаграмме при низком уровне оба выхода выключены. Для работы на SD должна быть единица не ниже 3 В (отключение — ниже 0,8 В). Оставлять вывод в воздухе нельзя: его подтягивают к VCC или к питанию логики резистором либо подключают к выводу микроконтроллера.

Можно ли держать верхний ключ IR2104 открытым постоянно?

Нет. Питание верхнего канала — бутстрепный конденсатор, который заряжается только пока открыт нижний ключ. При постоянной единице на IN конденсатор разряжается током покоя верхнего канала до 55 мкА плюс утечками: 1 мкФ теряет 1 В примерно за 18 мс (наш расчёт), потом VBS упадёт ниже рабочих 10 В. Для статического включения верхнего ключа нужен отдельный плавающий источник.

Почему задержка включения 680 нс, а выключения — 150 нс?

Даташит причину не объясняет, но разница 680 − 150 = 530 нс почти равна мёртвому времени 520 нс: по всей видимости, в задержку включения входит DT — драйвер сначала выключает один ключ, выдерживает паузу и только потом включает другой. На частоте 100 кГц с периодом 10 мкс две паузы по 520 нс отнимают около 10 % периода (наш расчёт), и выше 100–200 кГц IR2104 использовать невыгодно.

Источники

  1. International Rectifier (Infineon). IR2104(S) & (PbF) Half-Bridge Driver, Data Sheet No. PD60046-S, 4/2/2004 — с. 1 — Features, Product Summary (600 В, 130/270 мА, VOUT 10–20 В, ton/off 680 и 150 нс, DT 520 нс), Typical Connection (вход SD с чертой — активный низкий); с. 2 — Absolute Maximum Ratings (VB 625 В, VCC 25 В, dVS/dt 50 В/нс, 1,0 и 0,625 Вт, 125 и 200 °C/Вт), Recommended Operating Conditions с примечанием 1 (VS от −5 В); с. 3 — Static (VIH 3 В, VIL 0,8 В, VOH/VOL 100 мВ, ILK 50 мкА, IQBS 30/55 мкА, IQCC 150/270 мкА, UVLO 8,9/8,2 В, IO+ 130/210 мА, IO− 270/360 мА) и Dynamic Electrical Characteristics (ton 680/820, toff 150/220, tsd 160/220, tr 100/170, tf 50/90, DT 400/520/650 нс, MT 60 нс при CL = 1000 пФ); с. 4 — Functional Block Diagram, Lead Definitions, Lead Assignments (PDIP-8 и SOIC-8); с. 5 — рис. 1 временная диаграмма, рис. 2–5 определения задержек
  2. International Rectifier (Infineon). AN-1104: IRS2104 and IR2104 Comparison (без номера ревизии и даты в документе) — IRS2104 — замена вывод в вывод с той же функциональной схемой; отличия: tr 70 нс и tf 35 нс типично, VIH и порог SD 2,5 В, IO+ 290 мА и IO− 600 мА типично, VOH/VOL нормированы при 2 мА (0,2 и 0,1 В макс.); предельные и рекомендуемые режимы без изменений
Страница помогла?

Нашли ошибку? ·

Смотрите также