自舉電路工作原理和自舉電阻和電容的選取

在一些低成本的應用中，特別是對于一些600V小功率的IGBT，業(yè)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；

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(shù)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:

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：

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：

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

推薦電容值必須根據(jù)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(jīng)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：

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(shù)。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(fā)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(xù)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。

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(tài)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(huán)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(xiàn)欠壓閉鎖保護。

4. 最初給自舉電容充電時，可能出現(xiàn)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。