IR2136S：高压三相全桥栅极驱动器深度解析

IR2136S是一款由国际整流器公司（International Rectifier，现为英飞凌科技公司的一部分）设计和制造的高压、高速三相栅极驱动器IC。它专门用于驱动各种功率半导体器件，如MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）和IGBT（绝缘栅双极晶体管），尤其是在三相电机控制、逆变器和电源应用中。这款集成电路的核心价值在于其将复杂的驱动功能集成在一个紧凑的封装中，简化了设计，提高了系统的可靠性，并降低了成本。

核心功能与应用领域

IR2136S的主要功能是提供高边和低边功率器件所需的栅极驱动信号，并且能够承受高压差分信号。在高压应用中，传统的驱动方案往往需要复杂的自举电路或隔离电源，而IR2136S通过其独特的自举技术，简化了高边驱动的设计。

1. 三相电机控制： 这是IR2136S最典型的应用领域。在交流（AC）电机，特别是永磁同步电机（PMSM）和无刷直流电机（BLDC）的矢量控制或梯形波控制中，需要精确地控制六个功率开关（通常是MOSFET或IGBT）的开关时序。IR2136S能够同时驱动这六个开关，提供高、低侧独立控制，从而实现电机的高效、平稳运行。例如，在工业自动化、电动汽车、家用电器（如空调、洗衣机）和风力发电逆变器中，IR2136S发挥着关键作用。

2. 不间断电源（UPS）： 在UPS系统中，将直流电转换为交流电以供电给负载是核心功能之一。IR2136S可以用于驱动逆变级中的功率开关，确保在主电源中断时能够快速、可靠地切换到电池供电，并提供高质量的交流输出。

3. 太阳能逆变器： 太阳能电池板产生的直流电需要通过逆变器转换为交流电才能并入电网或供负载使用。IR2136S在此类逆变器中用于驱动IGBT或MOSFET，实现高效的DC-AC转换。其高压承受能力和 robust 的设计使其非常适合此类应用。

4. 感应加热： 感应加热设备通常利用高频电流在工件中产生涡流以加热。IR2136S可以驱动感应线圈的功率开关，实现精确的功率控制和高效率的加热过程。

5. 各种高压逆变器和转换器： 除了上述应用，IR2136S还广泛应用于其他需要驱动高压功率半导体器件的场合，例如高压直流-直流转换器、电焊机等。

主要特性详解

IR2136S之所以在这些应用中表现出色，得益于其一系列先进的特性：

• 高压摆幅能力： IR2136S能够驱动高达600V或1200V（取决于具体型号，IR2136S通常指600V系列）的母线电压。这意味着它可以直接在市电电压或更高的直流母线电压下工作，无需额外的降压电路，从而简化了系统设计。

• 栅极驱动电流： 栅极驱动电流是决定功率开关开关速度的关键参数。IR2136S提供足够的峰值源/拉电流（通常在几百毫安到安培级别），以快速充放电功率器件的栅极电容，确保快速开关，从而降低开关损耗。

• 自举操作（Bootstrap Operation）： 这是IR2136S最核心的特性之一。对于高边（High-side）开关，其源极电压是浮动的，且在开关过程中会快速变化。传统的驱动方案需要独立的隔离电源为高边驱动器供电，这增加了复杂性和成本。IR2136S通过内部自举二极管和外部自举电容，在低边开关导通时自动为高边驱动电路充电，从而为高边开关提供浮动电源。这种设计极大地简化了高边驱动的实现。

• 欠压锁定（Under-Voltage Lockout, UVLO）： 为了保护功率器件和驱动IC本身，IR2136S集成了UVLO功能。当驱动IC的供电电压低于预设阈值时，UVLO电路将关闭所有输出，防止在供电不足时功率器件工作在非正常状态，从而避免器件损坏。一旦电压恢复到正常范围，驱动器将重新激活。

• 死区时间保护（Dead-time Protection）： 在半桥或全桥拓扑中，如果高边和低边开关同时导通，会造成电源短路，形成“直通”，从而导致功率器件的损坏。IR2136S内置死区时间生成电路，确保在高边和低边开关切换时，在其中一个关闭后和另一个开启前，存在一个短暂的非导通时间（即死区时间），有效防止直通。这个死区时间通常是可编程的或固定的。

• 共模dv/dt抑制： 在高压大电流开关应用中，存在快速变化的电压（dv/dt）。这种共模dv/dt可能会通过寄生电容耦合到控制电路，导致误触发或噪声干扰。IR2136S设计有良好的共模瞬态抗扰度，能够有效抑制这些干扰，确保驱动信号的稳定性。

• 故障报告（Fault Reporting）： 某些型号的IR2136S具有故障检测和报告功能，例如过流、过热或欠压故障。当检测到故障时，驱动器会禁用输出，并通过一个专门的引脚（如FLT引脚）输出故障信号，以便主控制器采取保护措施。

• 引脚兼容性与封装： IR2136S通常采用紧凑的表面贴装封装，如SOIC或DIP，方便PCB布局和自动化生产。其引脚配置也通常经过优化，以便于布线和与微控制器（MCU）的接口。

• 施密特触发输入： 控制输入引脚通常具有施密特触发特性，这意味着它们具有滞回效应，能够有效抑制输入信号的噪声，提高控制信号的稳定性。

工作原理剖析

IR2136S的工作原理可以从其内部模块和信号流动的角度进行理解：

1. 输入逻辑： IR2136S接收来自微控制器或DSP的低压PWM（脉冲宽度调制）信号作为控制输入。这些输入信号通常通过施密特触发器进行缓冲和去噪处理，确保只有干净、稳定的信号才能进入内部逻辑。

2. 浮动电平转换（Level Shifting）： 这是高边驱动的关键部分。对于低边驱动，其参考地与控制器的地是相同的，因此直接驱动即可。但对于高边驱动，其源极（输出引脚）会随着输出电压的摆动而浮动。IR2136S内部的电平转换电路负责将地参考的PWM信号转换为高边所需的浮动电平信号。这个过程通常涉及高速的隔离电路或脉冲变压器（在某些更复杂的驱动器中，但IR2136S主要依靠自举）。

3. 自举电路（Bootstrap Circuit）： 这是高边驱动的核心。当低边开关导通时，自举电容通过内部自举二极管和外部的自举电阻（如果需要）从VCC供电电压充电。当低边开关关断，高边开关需要导通时，这个充满电的自举电容就作为高边驱动电路的浮动电源。需要注意的是，为了确保自举电容能够及时充电，高边开关不能长时间保持导通状态，或者需要在特定时间（例如PWM波形中低边导通时）让低边开关短暂导通以进行充电。

4. 死区时间生成器： 在高边和低边驱动信号之间，死区时间生成器会插入一个预设的延迟。例如，当一个PWM输入信号从高电平变为低电平时（关闭一个开关），死区时间生成器会确保相应的驱动输出立刻关闭。而当PWM输入信号从低电平变为高电平时（开启另一个开关），死区时间生成器会在一定延迟后才开启相应的驱动输出。这样就避免了同时导通的情况。

5. 栅极驱动输出级： 这是功率MOSFET或IGBT的栅极直接连接的部分。驱动输出级通常由一个推挽（Push-Pull）结构组成，能够提供足够的峰值电流来快速充放电栅极电容。输出级的设计优化了开通和关断时的上升和下降时间，以最小化开关损耗。

6. 保护电路： UVLO电路持续监测供电电压，一旦低于阈值就关闭所有驱动输出。有些IR2136S型号还集成了过流保护功能，通过检测外部电流采样电阻上的电压降来判断是否发生过流，并在检测到过流时迅速关闭驱动器，从而保护功率器件免受损坏。故障报告引脚则用于向主控制器发送故障信号。

设计考量与注意事项

在使用IR2136S进行设计时，需要考虑以下几个关键点：

• 电源旁路电容： 在VCC和COM之间，以及VBS和VS之间，需要放置合适的去耦电容（通常是陶瓷电容），以提供稳定的局部电源并抑制高频噪声。这些电容应尽可能靠近IR2136S的引脚放置。

• 自举电容的选择： 自举电容（C_BOOT）的大小至关重要。它需要足够大，以在高边开关导通期间提供足够的电荷，但也不能过大，否则充电时间会过长。其容量通常取决于功率器件的栅极电荷（Qg）、开关频率以及允许的电压跌落。

• 死区时间设定： 必须根据所选的功率器件的开关特性来设置合适的死区时间。过短的死区时间可能导致直通，而过长的死区时间会增加谐波失真和损耗。IR2136S通常内置固定或可编程的死区时间。

• 布线（Layout）考量： 良好的PCB布局对于优化IR2136S的性能至关重要。驱动回路（特别是栅极驱动回路）应尽可能短且粗，以减少寄生电感和电阻。功率回路和控制回路应分开布线，以减少噪声耦合。地线布局也需要特别注意，以避免地弹和共模噪声。

• 散热： 尽管IR2136S的功耗相对较低，但在高频和大电流应用中，仍需考虑其自身的散热。确保IC工作在推荐的温度范围内，可以通过合理的PCB布局和适当的散热措施来改善。

• 输入信号兼容性： 确保微控制器或DSP提供的PWM信号与IR2136S的输入逻辑电平兼容。

• 故障保护和响应： 如果IR2136S提供故障报告功能，应在主控制器中编写相应的代码来响应这些故障信号，例如关闭PWM输出，记录故障信息，并采取其他保护措施。

• VS引脚的负电压瞬态： 在某些应用中，由于功率器件寄生电感和二极管反向恢复电流的影响，VS引脚（浮动地）可能会出现短暂的负电压瞬态。IR2136S设计上能够承受一定的负电压（例如-5V），但如果负电压过大或持续时间过长，可能需要增加肖特基二极管或RC缓冲电路来钳位和抑制。

总结

IR2136S作为一款成熟可靠的三相栅极驱动器IC，极大地简化了高压三相功率转换系统的设计。它集成了高压驱动、自举电路、死区时间控制和多种保护功能于一体，使得工程师能够更专注于系统级的性能优化，而非底层的驱动电路设计。随着电力电子技术在工业、汽车和可再生能源领域的不断发展，IR2136S及其后续产品将继续发挥关键作用，推动电机控制和功率转换技术的进步。