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                      自舉電路工作原理和自舉電阻和電容的選取

                      發布時間:2022-09-23 來源:英飛凌 責任編輯:wenwei

                      【導讀】在一些低成本的應用中,特別是對于一些600V小功率的IGBT,業界總是嘗試把驅動級成本降到最低。因而自舉式電源成為一種廣泛的給高壓柵極驅動(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15~18V的電源來給逆變器的驅動級提供能量,所有半橋底部IGBT都與這個電源直接相連,半橋上部IGBT的驅動器通過電阻Rboot和二極管VF連接到電源Vb上,每個驅動器都有一個電容Cboot來緩沖電壓;


                      6.jpg


                      當下管S2開通使Vs降低到電源電壓Vcc以下時,Vcc通過自舉二極管和自舉電阻Rboot對自舉電容Cboot進行充電,在自舉電容兩端產生Vbs懸浮電壓,支持HO相對Vs的開關。隨著上管S1開關,Vs高壓時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


                      當下管S2導通,Vs電壓低于電源電壓(Vcc)時自舉電容(Cboot)每次都被充電。自舉電容僅當高端開關S1導通的時候放電。自舉電容給高端電路提供電源(VBS)。首先要考慮的參數是高端開關處于導通時,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動電壓。如果VGSMIN最小的柵-源極電壓,電容的電壓降必須是:


                      1663937157370262.png


                      其中:


                      Vcc=驅動芯片的電源電壓;

                      VF=自舉二極管正向壓降;

                      Vrboot=自舉電阻兩端的壓降;

                      Vcesat=下管S2的導通壓降


                      計算自舉電容為:


                      1663937144245983.png


                      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計算:


                      1663937124258464.png


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


                      10.jpg


                      1663937104707992.png


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


                      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電流太大的限流,英飛凌的驅動芯片一般已經把自舉二極管和電阻內置,不需要額外考慮電阻的選取。這里只是給大家分析原理,當使用外部自舉電阻時,電阻RBOOT帶來一個額外的電壓降:


                      12.png


                      其中:


                      ICHARGE=自舉電容的充電電流;

                      RBOOT=自舉電阻;

                      tCHARGE=自舉電容的充電時間(下管導通時間)


                      該電阻值(一般5~15Ω)不能太大,否則會增加VBS時間常數。當計算最大允許的電壓降(VBOOT )時,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間,我們可以使用一個快速恢復或超快恢復二極管。


                      實際選擇時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用觸發采樣電阻過流保護

                      2. 過小的自舉電阻可能會造成更高的dVbs/dt,從而產生更高的Vs負壓,關于Vs負壓的危害我們會在后面繼續討論。

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

                      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技術的半橋驅動內部電路,內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計麻煩。


                      13.png


                      自舉電路設計要點


                      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。否則可能會導致不受控制的開關狀態和/或錯誤產生。

                      2. 自舉電容Cboot的容量必須足夠大,這樣可以在一個完整的工作循環內滿足上橋臂驅動器的能量要求。

                      3. 自舉電容的電壓不能低于最小值,否則就會出現欠壓閉鎖保護。

                      4. 最初給自舉電容充電時,可能出現很大的峰值電流。這可能會干擾其他電路,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,因為它的工作頻率和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. 當選擇驅動電源Vcc電壓時,必須考慮驅動器內部電壓降及自舉二極管和自舉電阻的壓降,以防止IGBT柵極電壓不會太低而導致開通損耗增加。更進一步,所確定的電壓必須減去下管IGBT的飽和壓降,這樣導致上下管IGBT在不同的正向柵極電壓下開通,因此Vcc應當保證上管有足夠的柵極電壓,同時保證下管的柵極電壓不會變的太高。

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


                      最后,自舉電路也有一些局限性,有些應用如電機驅動的電機長期工作在低轉速大電流場合,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償或者獨立電源供應。



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