自舉電路

說起自舉電路估計(jì)離不開mos管，先來了解一下MOS管，MOS有N溝道和P溝道之分。對(duì)于N溝道的MOS管，導(dǎo)通時(shí)需要Ugs>Ugs(th),P溝道則相反，Ugs

P溝道 N溝道

當(dāng)我們用兩個(gè)N-MOS管控制電機(jī)的一相時(shí)，這樣便有上管和下管之分，上下管不能同時(shí)導(dǎo)通，否則就會(huì)爆管。見下圖，圖中的VS是浮動(dòng)的，如果上管導(dǎo)通，VS的電壓會(huì)非常接近VP，為啥會(huì)說是接近而不是相等呢？那是因?yàn)镸OS管存在壓降，還有一些原因也會(huì)導(dǎo)致VP不等VS。如果下管導(dǎo)通，VS則會(huì)接近VN。上文已經(jīng)說N-MOS導(dǎo)通的條件了，現(xiàn)在我們看看假如U1導(dǎo)通，VS電壓慢慢趨近與VP，當(dāng)兩者的壓差不足以使MOS導(dǎo)通會(huì)出現(xiàn)啥情況，會(huì)不會(huì)出現(xiàn)一會(huì)開啟一會(huì)關(guān)斷的情況。這樣的結(jié)果肯定不是我們需要的，那我們需要怎么做才能使MOS管導(dǎo)通，這下就接入我們的主題之一了，自舉電路。假如驅(qū)動(dòng)MOS管的電壓為15V左右，那如果要讓U1一直導(dǎo)通就需要HO-VS>=15V，才能正常驅(qū)動(dòng)MOS管，如何維持這個(gè)電壓呢，這就需要自舉電容和自舉二極管了。

分析如下

下管U2導(dǎo)通，自舉電容C1通過自舉二極管D1被電源電壓瞬間充電，上管U1導(dǎo)通，自舉電容給上管供電。二極管的作用是在上管導(dǎo)通時(shí)防止電容放電損壞VCC。電路的原理就是這樣。

自舉電容進(jìn)行初始化啟動(dòng)和充電受限的問題

啟動(dòng)時(shí)，在某些條件下，自舉二極管D1可能處于反偏，上管U1的導(dǎo)通時(shí)間不足，自舉電容不能保持所需要的電荷。這樣就可能導(dǎo)致上管不能正常導(dǎo)通，我們?cè)诿看螁?dòng)之前可以先讓下管導(dǎo)通，讓電容充電到VCC。

VS端產(chǎn)生負(fù)壓問題

上管斷開的時(shí)候，線圈L1會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，線圈中的電流會(huì)阻止電流的降低，于是瞬間切換到下管的體二極管上續(xù)流。由于寄生電感Ls1，Ls2的的存在，VS會(huì)感應(yīng)出負(fù)壓，這個(gè)值VS=-Ls*di/dt，幅值的大小取決于寄生電感Ls。

如果VS幅值過大，又會(huì)產(chǎn)生三個(gè)問題
①自舉電容C1過壓
C1的壓降等于VCC-VS，VS為負(fù)壓，相當(dāng)于負(fù)壓越大，C1兩端承受的壓差越大。

②當(dāng)這個(gè)負(fù)壓超過驅(qū)動(dòng)芯片的極限電壓，芯片也會(huì)損壞。

③上管Q1的Vgs=Vg-Vs，因?yàn)榇藭r(shí)上管關(guān)斷，所以Vg=0，也就代表著Vgs的幅值等于VS的絕對(duì)值，當(dāng)這個(gè)值超過MOS管的門限閾值電壓，上管就會(huì)導(dǎo)通，這時(shí)上下管同時(shí)導(dǎo)通，管子就會(huì)炸裂。

在D1前面串聯(lián)一個(gè)電阻R3，取值不能太大，一般取1-3Ω，用來限制自舉電容C1的充電電流，防止充電時(shí)電流過大，損壞C1同時(shí)可緩解VS端負(fù)壓造成的影響。

自舉電容C1并聯(lián)一個(gè)穩(wěn)壓二極管，防止MOS管產(chǎn)生的浪涌電流損壞C1，同時(shí)讓電容兩端電壓更穩(wěn)定。

在下管U2的ds之間并聯(lián)一個(gè)低壓降的肖特基二極管D3。當(dāng)上管關(guān)斷時(shí)，VS產(chǎn)生的負(fù)壓就會(huì)被D3鉗位，一般管壓降為0.7V。當(dāng)VN為地時(shí)，VS被限制在-0.7V。

在自舉電容計(jì)算之前先補(bǔ)習(xí)一下基本的知識(shí)點(diǎn)

電荷量公式

Q=It(其中I是電流，單位A，t是時(shí)間，單位s)

Q=ne(其中n為整數(shù)，e指元電荷，e=1.6021892×10^-19庫侖)

Q=CU (其中C指電容，U指電壓)

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：

QTOT=QGATE+QLS+(ILKCAP+ILKGS+IQBS+ILK+ILKDIODE)*TON

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(duì)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。

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。找元器件現(xiàn)貨上唯樣商城

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)。

審核編輯：黃飛