驅(qū)動電路設(shè)計（五）——驅(qū)動器的自舉電源穩(wěn)態(tài)設(shè)計

驅(qū)動電路設(shè)計是功率半導(dǎo)體應(yīng)用的難點(diǎn)，涉及到功率半導(dǎo)體的動態(tài)過程控制及器件的保護(hù)，實踐性很強(qiáng)。為了方便實現(xiàn)可靠的驅(qū)動設(shè)計，英飛凌的驅(qū)動集成電路自帶了一些重要的功能，本系列文章講詳細(xì)講解如何正確理解和應(yīng)用這些功能。

自舉電路在電平位移驅(qū)動電路應(yīng)用很廣泛，電路非常簡單，成本低，而且有很多實際案例可以抄作業(yè)。不過，由于系統(tǒng)往往存在特殊或極端工況，如設(shè)計不當(dāng)調(diào)制頻率或占空比不足以刷新自舉電容器上電荷，電容上的電壓不夠，低于低電壓關(guān)閉值UVLO，這時候就出現(xiàn)了系統(tǒng)故障，嚴(yán)重時會損壞系統(tǒng)。上一篇《驅(qū)動電路設(shè)計（四）---驅(qū)動器的自舉電源綜述》（http://2s4d.com/article/202503/467756.htm）是基于書本知識的綜述，已經(jīng)提到這些問題，接下來會參考英飛凌的數(shù)據(jù)手冊和應(yīng)用指南進(jìn)行深入討論。本文為了簡化問題，分析固定占空比下，即針對一個PWM周期內(nèi)的設(shè)計。

自舉電路原理

圖1中為柵極驅(qū)動器的高壓側(cè)提供非隔離電源的方式是自舉拓?fù)?，其由簡單的一個自舉二極管和一個自舉電容器組成。當(dāng)下橋IGBT導(dǎo)通時給自舉電容充電到VBS，而在下橋關(guān)斷上橋工作時這個電容給上橋提供電源。電容在上下橋交互開關(guān)的過程中實現(xiàn)充放電。在實際驅(qū)動器產(chǎn)品中，有時電平位移驅(qū)動電路已經(jīng)把二極管集成在IC中，只要外接一個電容即可。

圖1. 自舉電路

這種自舉電路具有簡單、成本低的優(yōu)點(diǎn)。電路設(shè)計目標(biāo)是輸出電壓穩(wěn)定，如果自舉電容上的電壓不夠，低于低電壓關(guān)閉值UVLO，這時候就出現(xiàn)了系統(tǒng)故障，嚴(yán)重時會損壞系統(tǒng)。

自舉電容器(VBS)的最大電壓取決于圖1所示的自舉電路的幾個元器件：

■ 電阻RBOOT上的壓降；

■ 自舉二極管的VF、低邊側(cè)開關(guān)上的壓降（VCEON或VFP，取決于流經(jīng)開關(guān)的電流方向）；

■ 以及低邊側(cè)開關(guān)發(fā)射極和直流母線之間的分流取樣電阻（圖1中未顯示）上的壓降（如果存在）。

自舉電路分析

在研究半橋拓?fù)渲惺褂玫淖耘e電路元器件取值大小細(xì)節(jié)之前，需要了解一些基礎(chǔ)知識，為此我們引入簡化等效電路有助于分析加深理解（見圖2）。電容Cboot左邊是補(bǔ)充電荷的電路，而右邊部分是會消耗掉電荷的電路。

圖2. 自舉電路的等效電路

自舉等效電路（如圖2所示）簡化了VBS特性作為調(diào)制開關(guān)S1開關(guān)狀態(tài)函數(shù)的計算，也簡化其與占空比D、柵極電荷QG、漏電流Ileak以及自舉電阻Rboot和自舉電容Cboot的計算。

VBS: 自舉電容器Cboot上的電壓

VBSMAX: 代表電源電壓（圖1中的VCC）加上或減去自舉電路的靜態(tài)電壓降

D=占空比=T(ON)/T

"穩(wěn)態(tài)"過程計算：即一個PWM周期內(nèi)的VBS行為

在本文討論中，開關(guān)S1的占空比假定為已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，并將保持恒定。后續(xù)的文章章節(jié)再進(jìn)一步討論空間矢量調(diào)制下，占空比隨時間變化時要考慮的一些因素。

自舉電容器Cboot上產(chǎn)生的電壓VBS一般由兩個部分組成（如圖2所示）。第一個是理想開關(guān)（也是半橋電路中的下橋臂）(S1)接通(TON)期間自舉電阻上產(chǎn)生的壓降。第二個是疊加紋波，是系統(tǒng)開關(guān)特性的特征。

交流紋波的大小主要由自舉電容器的容量決定，可以在S1關(guān)斷（TOFF）時計算。

在下面討論的其余部分，VBSMAX被定義為VBS的可能的最大值，圖2中的電壓源就取最大值VBSMAX。

自舉電阻

驅(qū)動電源是否足夠大用電荷來描述比功率更直接，因為負(fù)載是MOS型器件的柵極電荷，在開關(guān)期間 (TS)電源(VBSMAX)向電路提供的總電荷量QTOT如下公式所示。

這里變量QG*被定義為功率器件柵極QG和柵極驅(qū)動器電平位移QLS所需的總電荷量，而Ileak是指向柵極驅(qū)動器高壓側(cè)電路提供的直流電流High-side floating well offset supply leakage。

比如2ED2198S06F的QLS=1nC，而一個10A 600V的IGBT3 IKA10N60T大約為62nC，實際計算中可以忽略。

而其Ileak=12.5uA,如果Ts=0.1ms的話，Ileak*TS=1.25nC，也是一個非常小的量。（文末的案例Ileak高達(dá)200uA，可能就不應(yīng)該忽略）

S1由PWM波形驅(qū)動，且僅在TON時間內(nèi)通過自舉電阻提供電荷，則流經(jīng)自舉電阻的平均電流按如下公式計算。

其中：

所以RBOOT兩端的平均壓降由下列公式確定：

如果電平位移的驅(qū)動器的QLS和Ileak相對于驅(qū)動對象足夠小，那公式可以簡化為：

在設(shè)計中，是否可以忽略內(nèi)部電平位移電路所需的電荷和柵極驅(qū)動器高壓側(cè)電路提供的直流電流，建議查一下英飛凌的數(shù)據(jù)手冊，或向廠商咨詢。

自舉電容

自舉電容器向高壓側(cè)電路提供的總電荷可通過下列公式計算得出：

VBS的紋波振幅為：

上式說明自舉電壓的紋波只與總電荷和自舉電容有關(guān)，總電荷也要考慮內(nèi)部電平位移電路所需的電荷QLS和在關(guān)斷時柵極驅(qū)動器高壓側(cè)電路提供的直流電流，可能兩者可以忽略。

自舉電壓的跌落

半橋電路上管用自舉供電，其電壓一定會低于芯片供電電壓，也低于下管的驅(qū)動電壓，這一問題值得仔細(xì)研究，最終目的是探討最小占空比問題。

VBS的波形如圖所示，圖中對各種貢獻(xiàn)進(jìn)行了區(qū)分。Vdrop表示VBS從其可達(dá)到的最大（VBSMAX）下降的幅度（VB紋波最低谷的值）。

VBSMAX在實際系統(tǒng)中也就是驅(qū)動芯片供電電壓VCC。

第一種工況：當(dāng)自舉電阻Rboot和自舉電容Cboot決定的時間常數(shù)比較大。

圖3：Vdrop波形：條件為占空比小于4倍的自舉電阻和電容的時間常數(shù)/Ts

如上圖，Vdrop的幅值為：

上面這種工況是占空比比較低，如以下公式那樣實際充電時間小于4倍RC常數(shù)。充電不足，電壓跌落較大。使VRboot大于?VBS/2。

第二種工況：當(dāng)占空比很大，充電時間遠(yuǎn)大于自舉電阻Rboot和自舉電容Cboot決定的時間。

那么Vdrop=VRboot+?VBS/2不再成立，而變成Vdrop=?VBS，波形見圖4。

這時：

這樣自舉電壓的跌落就比較小，而且可以忽略自舉電阻上的壓降，只與自舉電容決定的紋波有關(guān)。

圖4：Vdrop波形：條件占空比遠(yuǎn)大于4倍的自舉電阻和電容的時間常數(shù)/Ts

最小占空比

上面的分析是為最小占空比設(shè)計做鋪墊，現(xiàn)在步入主題：

VBS紋波?VBS僅取決于自舉電容器Cboot，而當(dāng)自舉電容用得比較大，變成第一種工況，VBS也會有明顯的跌落，這時的跌落Vdrop取決于自舉電阻Rroot。

我們前面討論電壓跌落與占空比與自舉電路的時間常數(shù)的關(guān)聯(lián)性，目的是要設(shè)計自舉電阻滿足最小的占空比。

下式是在忽略?VBS作用時的最小占空比DMIN，式子中Vdrop是電源可接受的最大壓降。

我們來看自舉電源仿真案例：

在設(shè)計中，我們目標(biāo)是自舉電壓，電壓降Vdrop結(jié)果參考圖5。

仿真條件：

當(dāng)QG=40nC,f=1/TS=20kHz，Ileak=200μA,Rboot=220Ω，

且預(yù)充電到VBSMAX=15V。

分別在Cboot=47nF和1uF，占空比為10%和30%。

圖5的模擬結(jié)果中，綠色和黃色曲線表示使用47nF自舉電容器在兩種占空比下的 VBS。紫色和紅色曲線表示使用1μF自舉電容在兩種占空比下的VBS?？梢钥醋耘e電壓值得大小受占空比影響，而電壓得紋波受自舉電容大小影響。

圖5：不同自舉電容和占空比條件下的仿真結(jié)果

按照前面的公式：

當(dāng)QG*=40nC,f=20kHz，Ileak=200μA,Rboot=220Ω，如果允許的Vdrop=2V (VBS=VCC-Vdrop=13V)時，算出最小可接受的占空比DMIN=11%。要是占空比只有10%的話，電壓跌落會超過預(yù)期。

結(jié)論

1 驅(qū)動功率取決于被驅(qū)動的功率柵極電荷QG和柵極驅(qū)動器電平位移QLS，并且要包括各種漏電流。

2 自舉電路設(shè)計核心問題是自舉電阻Rroot和自舉電容Cboot選取，電阻決定平均電壓，電容影響紋波。

3 自舉電源的電壓會比驅(qū)動電路的供電電源電壓VCC要低，其電壓降取決于自舉電阻的壓降和自舉電容上的紋波。按照可能的最小占空比正確選擇電阻和電容值是關(guān)鍵，以保證上下管的驅(qū)動電壓在設(shè)計值內(nèi)。

系列文章

驅(qū)動電路設(shè)計（一）——驅(qū)動器的功能綜述 http://2s4d.com/article/202502/466941.htm

驅(qū)動電路設(shè)計（二）——驅(qū)動器的輸入側(cè)探究 http://2s4d.com/article/202502/467031.htm

驅(qū)動電路設(shè)計（三）---驅(qū)動器的隔離電源雜談 http://2s4d.com/article/202503/467754.htm

驅(qū)動電路設(shè)計（四）---驅(qū)動器的自舉電源綜述 http://2s4d.com/article/202503/467756.htm