Principe de fonctionnement et conception du circuit IR2110

L'IR2110 est un circuit intégré pilote MOSFET et IGBT haute tension utilisé pour contrôler des interrupteurs de puissance dans des circuits électroniques exigeants. Il est conçu avec des sorties de pilote séparées pour le côté haut et le côté bas, ce qui lui permet de piloter deux dispositifs de commutation dans des circuits tels que les conceptions de demi-pont et de pont complet. Cet article traitera des fonctionnalités et des spécifications de l'IR2110, de la configuration des broches, de l'architecture interne, des circuits d'application typiques, des considérations de conception pratiques, de la comparaison avec des circuits intégrés pilotes similaires, des facteurs de sélection et des alternatives populaires.

Catalogue

Qu'est-ce que le circuit intégré pilote MOSFET/IGBT IR2110 ?

Le IR2110 est un circuit intégré pilote haute tension et haute vitesse conçu pour contrôler des MOSFET et des IGBT de puissance. Il dispose de canaux de sortie indépendants pour le côté haut et le côté bas, ce qui lui permet de piloter des dispositifs de commutation avec un contrôle de porte précis et fiable.

L'IR2110 utilise une technologie CMOS robuste, prend en charge les entrées logiques CMOS et LSTTL standard, et comprend un étage tampon à courant d'impulsion élevé pour améliorer les performances de commutation. Son canal flottant de côté haut peut fonctionner jusqu'à 500 V, ce qui le rend adapté aux conceptions de circuits haute tension exigeantes.

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Fonctionnalités et spécifications de l'IR2110

Paramètre	Spécification
Type de pilote	Pilote MOSFET et IGBT haute tension, haute vitesse
Nombre de canaux	Pilotes indépendants côté haut et côté bas
Tension du canal flottant	Jusqu'à 500 V
Technologie de processus	HVIC et CMOS immunisé contre la saturation
Type d'entrée logique	Compatible CMOS et LSTTL
Conception du canal flottant	Conçu pour le fonctionnement bootstrap
Plage d'alimentation du pilote de porte (VCC)	10 V à 20 V
Plage VDD	5 V à 20 V
Courant de sortie maximal (source)	2 A typique
Courant de sortie maximal (puits)	2 A typique
Protection contre les sous-pressions (UVLO)	Disponible sur les deux canaux
Immunité dV/dt	Haute immunité au bruit
Tension transitoire négative	Tolérant
Type d'entrée	Déclencheur Schmitt CMOS avec tirage vers le bas
Fonction d'arrêt	Logique d'arrêt déclenchée par le bord cycle par cycle
Correspondance des délais	Correspondance du délai de propagation entre les canaux
Relation de sortie	Sorties en Phase avec les Entrées
Logique et Alimentation Décalage de Masse	±5 V
Fonctionnement Haute Vitesse	Optimisé pour des Applications de Commutation Rapide
Emballages Disponibles	DIP à 14 broches, SOIC à 16 broches

Configuration de Broches IR2110 et Fonctions des Broches

N° de Broche	Nom de Broche	Type	Fonction
1	LO	Sortie	Sortie du pilote de porte côté faible. Fournit le signal de commande pour le MOSFET ou IGBT côté faible.
2	COM	Masse	Chemin de retour côté faible et référence de masse pour l'étage de sortie du pilote.
3	VCC	Alimentation	Tension d'alimentation pour l'étage de sortie du pilote de porte côté faible. Typiquement de 10 V à 20 V.
4	NC	Pas de Connexion	Connexion interne non utilisée. Laisser non connectée sauf indication du fabricant.
5	VS	Retour Flottant	Référence de retour pour le pilote côté haut. Connecté à la source du MOSFET côté haut ou à l'émetteur de l'IGBT côté haut.
6	VB	Alimentation Flottante	Entrée d'alimentation flottante pour le pilote côté haut. Généralement connectée à un condensateur de bootstrap.
7	HO	Sortie	Sortie du pilote de porte côté haut. Commande la porte du MOSFET ou IGBT côté haut.
8	VDD	Alimentation Logique	Tension d'alimentation du circuit logique. Supporte les étapes d'entrée logique et le circuit de contrôle interne.
9	HIN	Entrée	Entrée logique contrôlant la sortie côté haut (HO). Une entrée haute active le pilote côté haut.
10	SD	Entrée	Entrée de contrôle d'arrêt. Utilisée pour désactiver les sorties des deux pilotes pour la protection contre les défauts ou le contrôle du système.
11	LIN	Entrée	Entrée logique contrôlant la sortie côté faible (LO). Une entrée haute active le pilote côté faible.
12	VSS	Masse Logique	Référence de masse pour l'alimentation logique et les entrées de contrôle.
13	NC	Pas de Connexion	Connexion interne non utilisée. Laisser non connectée sauf indication du fabricant.
14	NC	Pas de Connexion	Connexion interne non utilisée. Laisser non connectée sauf indication du fabricant.

Diagramme de Bloc Interne & Architecture de l'IR2110

L'IR2110 contient des sections de pilote de porte côté haut et côté faible distinctes, conçues pour contrôler des MOSFETs ou IGBTs dans des applications de commutation. À l'intérieur du dispositif, les signaux d'entrée passent par des circuits à déclenchement Schmitt qui améliorent l'immunité au bruit et garantissent un fonctionnement fiable dans des environnements électriquement bruyants. Les circuits logiques internes traitent les signaux de contrôle et gèrent le fonctionnement des deux canaux de pilote.

Une partie clé de l'architecture est le circuit de déplacement de niveau haute tension. Ce bloc transfère les informations de contrôle de la section logique basse tension à la section de pilote côté haut flottante, permettant au dispositif de fonctionner dans des applications où le nœud de commutation varie sur une large plage de tension. Le pilote flottant est alimenté par les bornes VB et VS, permettant un contrôle correct de la porte du dispositif de commutation supérieur.

L'IR2110 intègre également plusieurs fonctions de protection et de temporisation. Le verrouillage en cas de sous-tension (UVLO) surveille en continu les tensions d'alimentation du pilote et désactive les sorties si la tension tombe en dessous d'un niveau de fonctionnement sûr. Le filtrage des impulsions aide à rejeter les impulsions de bruit indésirables, tandis que la fonction d'arrêt fournit une méthode pratique pour désactiver les deux canaux de pilote pendant des conditions de défaut ou des événements de protection du système.

Circuits d'Application Typiques de l'IR2110

L'IR2110 est largement utilisé dans des circuits de commutation de demi-pont, de pont complet et de haute puissance. Une application courante se compose de deux MOSFETs à canal N connectés dans une configuration de demi-pont, permettant un contrôle efficace de la puissance délivrée à une charge. Cette configuration se retrouve fréquemment dans des entraînements de moteurs, des onduleurs DC-AC, des alimentations à découpage, des systèmes d'UPS et des équipements de chauffage par induction.

Un diode et un condensateur de bootstrap sont généralement utilisés pour générer l'alimentation flottante requise par le pilote côté haut. Pendant le fonctionnement, le condensateur stocke de l'énergie et fournit la tension nécessaire pour activer le MOSFET supérieur. Cette approche élimine le besoin d'une source d'alimentation isolée distincte pour le pilote de porte côté haut, réduisant la complexité du circuit et le coût.

Des composants externes supplémentaires sont généralement inclus pour améliorer les performances. Les résistances de grille aident à contrôler la vitesse de commutation et à réduire les oscillations de tension, tandis que les résistances de tirage à la masse garantissent que les transistors de puissance restent dans un état éteint défini lorsqu'aucun signal de contrôle n'est présent. Ces composants contribuent à une opération de commutation stable et fiable.

Comment utiliser l'IR2110 dans des conceptions pratiques

Les conceptions réussies de l'IR2110 commencent par un agencement approprié du PCB et un découplage de l'alimentation. Les condensateurs de dérivation doivent être placés près des broches VCC-COM et VDD-VSS pour réduire les chutes de tension lors de la commutation rapide. Les traces de commande de grille doivent être courtes et directes pour minimiser l'inductance parasite, tandis que les sections haute tension et basse tension doivent avoir un espacement approprié pour la sécurité et la stabilité du signal.

Le choix de la résistance de grille est également important car il contrôle la vitesse de commutation du MOSFET ou de l'IGBT. Une résistance de grille plus petite permet une commutation plus rapide mais peut augmenter le bruit et les interférences électromagnétiques. Une résistance de grille plus grande ralentit la montée de la commutation et peut réduire le bruit, mais cela peut augmenter les pertes de commutation.

Le circuit doit inclure un contrôle approprié du temps mort entre les dispositifs de haut et de bas côté. Cela empêche les deux interrupteurs de s'allumer en même temps, ce qui peut provoquer un courant de passage et endommager l'étage de puissance.

Pour une fiabilité accrue, vous devriez appliquer des techniques de réduction du bruit telles que des chemins de terre courts, une connexion COM solide, un découplage approprié et un routage soigneux des signaux HIN et LIN loin des nœuds de commutation bruyants. Les recommandations de protection incluent l'utilisation appropriée du verrouillage sous-tension, l'ajout de résistances de grille appropriées, le contrôle de la taille du condensateur de bootstrap et la protection des MOSFET ou IGBT contre les surintensités, les surtensions et la surchauffe.

IR2110 vs IR2101 vs IR2104

Caractéristique	IR2110	IR2101	IR2104
Type de pilote	Pilote de haut côté et de bas côté	Pilote de haut côté et de bas côté	Pilote de haut côté et de bas côté avec temps mort interne
Tension d'alimentation flottante de haut côté	Jusqu'à 500 V	Jusqu'à 600 V	Jusqu'à 600 V
Canaux de sortie	Sorties indépendantes de haut côté et de bas côté	Sorties indépendantes de haut côté et de bas côté	Sorties complémentaires de haut côté et de bas côté
Courant de sortie de pointe (source)	2 A	130 mA	210 mA
Courant de sortie de pointe (puits)	2 A	270 mA	360 mA
Tension d'alimentation logique (VDD)	5 V à 20 V	Non requis	Non requis
Tension d'alimentation du pilote (VCC)	10 V à 20 V	10 V à 20 V	10 V à 20 V
Broches d'entrée logique	HIN, LIN, SD	HIN, LIN	IN, SD
Broche d'arrêt	Oui	Non	Oui
Verrouillage sous-tension (UVLO)	Haut et bas côté	Haut et bas côté	Haut et bas côté
Convertisseur de niveau	Oui	Oui	Oui
Fonctionnement de bootstrap	Oui	Oui	Oui
Délai de propagation apparié	Oui	Non	Non
Temps mort interne	Non	Non	Oui
Contrôler le temps mort	Externe	Externe	Interne
Contrôle indépendant des deux sorties	Oui	Oui	Non
Configuration logique de sortie	Indépendante	Indépendante	Complémentaire
Immunité au bruit	Élevée	Élevée	Élevée
Compatibilité MOSFET	MOSFET N-Channel	MOSFET N-Channel	MOSFET N-Channel
Compatibilité IGBT	Oui	Capacité de commande limitée	Capacité de commande limitée
Capacité de fréquence de commutation	Élevée	Modérée	Modérée
Force de commande de la grille	Élevée	Faible	Moyenne
Composants externes requis	Modéré	Faible	Faible
Complexité de conception	Modérée	Simple	Très simple
Options d'emballage	DIP, SOIC	DIP, SOIC	DIP, SOIC

Facteurs à considérer avant de choisir l'IR2110

Exigences de fréquence de commutation

Le IR2110 est conçu pour des commutations à haute vitesse et peut être utilisé dans des applications telles que des onduleurs, des entraînements de moteur et des alimentations à découpage. Avant de sélectionner le dispositif, vous devez évaluer la fréquence de commutation prévue et vous assurer que les MOSFET ou IGBT peuvent être pilotés efficacement à cette vitesse. Des fréquences de commutation plus élevées peuvent améliorer les performances du système et réduire la taille des composants magnétiques, mais elles augmentent également les pertes de commutation et la génération de chaleur.

Sélection de MOSFET ou IGBT

Le IR2110 peut piloter à la fois des MOSFET N-channel et des IGBT, mais les exigences de commande des portes de ces dispositifs peuvent différer considérablement. Les MOSFET sont généralement préférés pour un fonctionnement à haute fréquence en raison de leur vitesse de commutation plus rapide, tandis que les IGBT sont souvent utilisés dans des applications à haute tension et à fort courant. Le dispositif de puissance sélectionné doit être compatible avec la tension de commande de porte et la capacité de courant de sortie du IR2110.

Compatibilité logique d'entrée

Le IR2110 prend en charge les niveaux de logique CMOS et LSTTL standard, ce qui le rend compatible avec de nombreux microcontrôleurs, DSP et contrôleurs PWM. Vous devez vérifier que la tension de sortie logique du circuit de contrôle répond aux exigences d'entrée du pilote pour garantir une commutation fiable et une reconnaissance correcte du signal.

Exigences d'alimentation

Des tensions d'alimentation appropriées sont essentielles pour un fonctionnement fiable. Le IR2110 nécessite généralement une tension d'alimentation de commande de porte comprise entre 10 V et 20 V, tandis que le pilote haute tension utilise un circuit de bootstrap pour générer son alimentation flottante. Des condensateurs de bypass adéquats et un condensateur de bootstrap de taille appropriée doivent être inclus pour maintenir un fonctionnement stable pendant la commutation.

Exigences d'isolation

Le IR2110 utilise une architecture de décalage de niveau plutôt qu'une isolation galvanique. Pour de nombreux conceptions de demi-pont et de pont complet, cette approche est suffisante et aide à réduire la complexité du circuit. Cependant, les applications qui nécessitent une isolation de sécurité, une immunité élevée au bruit commun ou des systèmes de contrôle isolés peuvent nécessiter un pilote de porte isolé au lieu du IR2110. Évaluer les exigences d'isolation tôt dans le processus de conception aide à garantir la conformité aux exigences de sécurité et de performance du système.

Alternatives populaires au IR2110

• IR2113

• IRS2110

• IRS2113

• IR2101

• IR2104

• IRS2184

• FAN7392

• UCC27714

Dimensions mécaniques du IR2110

Conclusion

Le IR2110 de Infineon Technologies combine la commande de porte haute et basse, une forte capacité de courant de sortie, un fonctionnement de bootstrap, et des caractéristiques de protection utiles dans un seul circuit intégré. Ces caractéristiques aident à simplifier la conception des circuits d'alimentation tout en garantissant un contrôle fiable des MOSFET et IGBT dans des applications de commutation à haute tension. Avec ses canaux de pilote indépendants, son architecture de décalage de niveau, et son support pour les commutations à haute vitesse, le IR2110 reste un choix populaire pour les ingénieurs concevant des onduleurs, des entraînements de moteur, des alimentations et d'autres systèmes électroniques de puissance.

Questions Fréquemment Posées [FAQ]

1. Comment calculez-vous la valeur du condensateur de bootstrap pour un circuit IR2110 ?

Le condensateur de bootstrap doit stocker suffisamment de charge pour maintenir le MOSFET haute tension complètement amélioré pendant tout le cycle de commutation. La valeur dépend de la charge de porte du MOSFET, de la fréquence de commutation, des courants de fuite, et de la marge de tension souhaitée.

2. Le IR2110 peut-il piloter plusieurs MOSFET en parallèle ?

Oui. Le IR2110 peut piloter plusieurs MOSFET connectés en parallèle, à condition que la charge totale de porte reste dans les capacités du pilote et que des résistances de porte appropriées soient utilisées pour chaque MOSFET.

3. Pourquoi le MOSFET haute tension ne s'active-t-il pas dans certaines conceptions de IR2110 ?

Une cause fréquente est un condensateur bootstrap mal chargé. La sélection incorrecte de la diode bootstrap, un cycle de service insuffisant ou des erreurs de câblage peuvent également empêcher le driver haute tension de fonctionner correctement.

4. Que se passe-t-il si aucun temps mort n'est ajouté entre les interrupteurs de haute et basse tension ?

Sans un temps mort suffisant, les deux interrupteurs peuvent conduire simultanément, provoquant un courant de perforation. Cela peut entraîner un échauffement excessif, une réduction de l'efficacité et des dommages possibles aux MOSFET et au circuit driver.

5. Le IR2110 peut-il être utilisé avec des microcontrôleurs de 3,3 V ?

Dans certains cas, oui, mais la compatibilité des niveaux logiques doit être vérifiée. Si le signal logique n'est pas suffisant pour un fonctionnement fiable, un circuit de décalage de niveau peut être nécessaire.

6. Comment la valeur de la résistance de gate affecte-t-elle les performances du IR2110 ?

Des résistances de gate plus petites augmentent la vitesse de commutation mais peuvent créer plus de résonances et d'EMI. Des résistances plus grandes réduisent le bruit et le stress de commutation mais peuvent augmenter les pertes de commutation.

7. Quelle est la fréquence de commutation pratique maximale pour le IR2110 ?

La limite pratique dépend de la charge de gate du MOSFET, de la disposition du circuit imprimé, des valeurs des résistances de gate et de la conception de l'étage de puissance. De nombreuses conceptions fonctionnent avec succès de plusieurs dizaines de kilohertz à plusieurs centaines de kilohertz.

8. Quand un driver de gate isolé doit-il être utilisé au lieu du IR2110 ?

Un driver de gate isolé est souvent préféré lorsque l'isolation de sécurité, une haute immunité au bruit commun, ou des masses de contrôle et de puissance séparées sont requises par l'application.