自舉電路工作原理和自舉電阻和電容的選取

在一些低成本的應(yīng)用中，特別是對于一些600V小功率的IGBT，業(yè)界總是嘗試把驅(qū)動(dòng)級成本降到最低。因而自舉式電源成為一種廣泛的給高壓柵極驅(qū)動(dòng)（HVIC）電路供電的方法，原因是電路簡單并且成本低。

自舉電路的工作原理

如下圖自舉電路僅僅需要一個(gè)15~18V的電源來給逆變器的驅(qū)動(dòng)級提供能量，所有半橋底部IGBT都與這個(gè)電源直接相連，半橋上部IGBT的驅(qū)動(dòng)器通過電阻Rboot和二極管VF連接到電源Vb上，每個(gè)驅(qū)動(dòng)器都有一個(gè)電容Cboot來緩沖電壓；

當(dāng)下管S2開通使Vs降低到電源電壓Vcc以下時(shí)，Vcc通過自舉二極管和自舉電阻Rboot對自舉電容Cboot進(jìn)行充電，在自舉電容兩端產(chǎn)生Vbs懸浮電壓，支持HO相對Vs的開關(guān)。隨著上管S1開關(guān)，Vs高壓時(shí)自舉二極管處于反偏，Vbs和電源Vcc被隔離開。

自舉電容的選取

當(dāng)下管S2導(dǎo)通，Vs電壓低于電源電壓(Vcc)時(shí)自舉電容(Cboot)每次都被充電。自舉電容僅當(dāng)高端開關(guān)S1導(dǎo)通的時(shí)候放電。自舉電容給高端電路提供電源(VBS)。首先要考慮的參數(shù)是高端開關(guān)處于導(dǎo)通時(shí)，自舉電容的最大電壓降。允許的最大電壓降(Vbs)取決于要保持的最小柵極驅(qū)動(dòng)電壓。如果VGSMIN最小的柵-源極電壓，電容的電壓降必須是:

其中：

Vcc=驅(qū)動(dòng)芯片的電源電壓；

VF=自舉二極管正向壓降；

Vrboot=自舉電阻兩端的壓降；

Vcesat=下管S2的導(dǎo)通壓降

計(jì)算自舉電容為：

其中：

QTOT是電容器的電荷總量。

自舉電容的電荷總量通過等式4計(jì)算：

下表是以IR2106+IKP15N65H5(18A@125°C)為例子計(jì)算自舉電容推薦：

推薦電容值必須根據(jù)使用的器件和應(yīng)用條件來選擇。如果電容過小，自舉電容在上管開通時(shí)下降紋波過大，降低電容的使用壽命，開關(guān)管損耗變高，開關(guān)可靠性也變低；如果電容值過大，自舉電容的充電時(shí)間減少，低端導(dǎo)通時(shí)間可能不足以使電容達(dá)到自舉電壓。

選擇自舉電阻

自舉電阻的作用主要是防止首次對自舉電容充電時(shí)電流太大的限流，英飛凌的驅(qū)動(dòng)芯片一般已經(jīng)把自舉二極管和電阻內(nèi)置，不需要額外考慮電阻的選取。這里只是給大家分析原理，當(dāng)使用外部自舉電阻時(shí)，電阻RBOOT帶來一個(gè)額外的電壓降：

其中：

ICHARGE=自舉電容的充電電流；

RBOOT=自舉電阻；

tCHARGE=自舉電容的充電時(shí)間(下管導(dǎo)通時(shí)間)

該電阻值（一般5~15Ω）不能太大，否則會(huì)增加VBS時(shí)間常數(shù)。當(dāng)計(jì)算最大允許的電壓降(VBOOT )時(shí)，必須考慮自舉二極管的電壓降。如果該電壓降太大或電路不能提供足夠的充電時(shí)間，我們可以使用一個(gè)快速恢復(fù)或超快恢復(fù)二極管。

實(shí)際選擇時(shí)我們可能考慮更多的是自舉電阻太小限制：

1. 充電電流過大在小功率輸出應(yīng)用觸發(fā)采樣電阻過流保護(hù)

2. 過小的自舉電阻可能會(huì)造成更高的dVbs/dt,從而產(chǎn)生更高的Vs負(fù)壓，關(guān)于Vs負(fù)壓的危害我們會(huì)在后面繼續(xù)討論。

3. 充電電流過大容易導(dǎo)致充電階段Vcc電壓過低，造成欠壓保護(hù)。

4. 容易造成自舉二極管過流損壞。

如下圖是英飛凌新一代2ED218xS06F/ 2ED218x4S06J大電流系列的SOI技術(shù)的半橋驅(qū)動(dòng)內(nèi)部電路，內(nèi)部集成了自舉電阻和自舉二極管，可以幫助客戶省掉自舉電阻和二極管電路的設(shè)計(jì)麻煩。

自舉電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)

為了保證自舉電路能夠正常工作，需要注意很多問題：

1. 開始工作后，總是先導(dǎo)通半橋的下橋臂IGBT，這樣自舉電容能夠被重新充電到供電電源的額定值。否則可能會(huì)導(dǎo)致不受控制的開關(guān)狀態(tài)和/或錯(cuò)誤產(chǎn)生。

2. 自舉電容Cboot的容量必須足夠大，這樣可以在一個(gè)完整的工作循環(huán)內(nèi)滿足上橋臂驅(qū)動(dòng)器的能量要求。

3. 自舉電容的電壓不能低于最小值，否則就會(huì)出現(xiàn)欠壓閉鎖保護(hù)。

4. 最初給自舉電容充電時(shí)，可能出現(xiàn)很大的峰值電流。這可能會(huì)干擾其他電路，因此建議用低阻抗的自舉電阻限流。

5. 一方面，自舉二極管必須快，因?yàn)樗墓ぷ黝l率和IGBT是一樣的，另一方面，它必須有足夠大的阻斷電壓，至少和IGBT的阻斷電壓一樣大。這就意味著600V的IGBT，必須選擇600V的自舉二極管。

6. 當(dāng)選擇驅(qū)動(dòng)電源Vcc電壓時(shí)，必須考慮驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部電壓降及自舉二極管和自舉電阻的壓降，以防止IGBT柵極電壓不會(huì)太低而導(dǎo)致開通損耗增加。更進(jìn)一步，所確定的電壓必須減去下管IGBT的飽和壓降，這樣導(dǎo)致上下管IGBT在不同的正向柵極電壓下開通，因此Vcc應(yīng)當(dāng)保證上管有足夠的柵極電壓，同時(shí)保證下管的柵極電壓不會(huì)變的太高。

7. 用自舉電路來提供負(fù)壓的做法是不常見的，如此一來，就必須注意IGBT的寄生導(dǎo)通。

最后，自舉電路也有一些局限性，有些應(yīng)用如電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電機(jī)長期工作在低轉(zhuǎn)速大電流場合，下管的開通占空比一直比較小，造成上管的自舉充電不夠，這種情況需要在PWM算法上做特定占空比補(bǔ)償或者獨(dú)立電源供應(yīng)。