自举电路工作原理和自举电阻和电容的选取
发布日期:2022-09-29
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在一些低成本的应用中，特别是对于一些600V小功率的IGBT，业界总是尝试把驱动级成本降到最低。因而自举式电源成为一种广泛的给高压栅极驱动（HVIC）电路供电的方法，原因是电路简单并且成本低。
自举电路的工作原理
如下图自举电路仅仅需要一个15~18V的电源来给逆变器的驱动级提供能量，所有半桥底部IGBT都与这个电源直接相连，半桥上部IGBT的驱动器通过电阻Rboot和二极管VF连接到电源Vb上，每个驱动器都有一个电容Cboot来缓冲电压；
当下管S2开通使Vs降低到电源电压Vcc以下时，Vcc通过自举二极管和自举电阻Rboot对自举电容Cboot进行充电，在自举电容两端产生Vbs悬浮电压，支持HO相对Vs的开关。随着上管S1开关，Vs高压时自举二极管处于反偏，Vbs和电源Vcc被隔离开。
自举电容的选取
当下管S2导通，Vs电压低于电源电压(Vcc)时自举电容(Cboot)每次都被充电。自举电容仅当高端开关S1导通的时候放电。自举电容给高端电路提供电源(VBS)。首先要考虑的参数是高端开关处于导通时，自举电容的最大电压降。允许的最大电压降(Vbs)取决于要保持的最小栅极驱动电压。如果VGSMIN最小的栅-源极电压，电容的电压降必须是:
其中：
Vcc=驱动芯片的电源电压；
VF=自举二极管正向压降；
Vrboot=自举电阻两端的压降；
Vcesat=下管S2的导通压降
计算自举电容为：
其中：
QTOT是电容器的电荷总量。
自举电容的电荷总量通过等式4计算：
推荐电容值必须根据使用的器件和应用条件来选择。如果电容过小，自举电容在上管开通时下降纹波过大，降低电容的使用寿命，开关管损耗变高，开关可靠性也变低；如果电容值过大，自举电容的充电时间减少，低端导通时间可能不足以使电容达到自举电压。
选择自举电阻
自举电阻的作用主要是防止首次对自举电容充电时电流太大的限流，英飞凌的驱动芯片一般已经把自举二极管和电阻内置，不需要额外考虑电阻的选取。这里只是给大家分析原理，当使用外部自举电阻时，电阻RBOOT带来一个额外的电压降：
其中：
ICHARGE=自举电容的充电电流；
RBOOT=自举电阻；
tCHARGE=自举电容的充电时间(下管导通时间)
该电阻值（一般5~15Ω）不能太大，否则会增加VBS时间常数。当计算最大允许的电压降(VBOOT )时，必须考虑自举二极管的电压降。如果该电压降太大或电路不能提供足够的充电时间，我们可以使用一个快速恢复或超快恢复二极管。
实际选择时我们可能考虑更多的是自举电阻太小限制：
1. 充电电流过大在小功率输出应用触发采样电阻过流保护
2. 过小的自举电阻可能会造成更高的dVbs/dt,从而产生更高的Vs负压，关于Vs负压的危害我们会在后面继续讨论。
3. 充电电流过大容易导致充电阶段Vcc电压过低，造成欠压保护。
4. 容易造成自举二极管过流损坏。
如下图是英飞凌新一代2ED218xS06F/ 2ED218x4S06J大电流系列的SOI技术的半桥驱动内部电路，内部集成了自举电阻和自举二极管，可以帮助客户省掉自举电阻和二极管电路的设计麻烦。
自举电路设计要点
为了保证自举电路能够正常工作，需要注意很多问题：
1. 开始工作后，总是先导通半桥的下桥臂IGBT，这样自举电容能够被重新充电到供电电源的额定值。否则可能会导致不受控制的开关状态和/或错误产生。
2. 自举电容Cboot的容量必须足够大，这样可以在一个完整的工作循环内满足上桥臂驱动器的能量要求。
3. 自举电容的电压不能低于最小值，否则就会出现欠压闭锁保护。
4. 最初给自举电容充电时，可能出现很大的峰值电流。这可能会干扰其他电路，因此建议用低阻抗的自举电阻限流。
5. 一方面，自举二极管必须快，因为它的工作频率和IGBT是一样的，另一方面，它必须有足够大的阻断电压，至少和IGBT的阻断电压一样大。这就意味着600V的IGBT，必须选择600V的自举二极管。
6. 当选择驱动电源Vcc电压时，必须考虑驱动器内部电压降及自举二极管和自举电阻的压降，以防止IGBT栅极电压不会太低而导致开通损耗增加。更进一步，所确定的电压必须减去下管IGBT的饱和压降，这样导致上下管IGBT在不同的正向栅极电压下开通，因此Vcc应当保证上管有足够的栅极电压，同时保证下管的栅极电压不会变的太高。
7. 用自举电路来提供负压的做法是不常见的，如此一来，就必须注意IGBT的寄生导通。
最后，自举电路也有一些局限性，有些应用如电机驱动的电机长期工作在低转速大电流场合，下管的开通占空比一直比较小，造成上管的自举充电不够，这种情况需要在PWM算法上做特定占空比补偿或者独立电源供应。
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