自舉電路
說起自舉電路估計離不開mos管,先來了解一下MOS管,MOS有N溝道和P溝道之分。對于N溝道的MOS管,導通時需要Ugs>Ugs(th),P溝道則相反,Ugs
P溝道 N溝道
當我們用兩個N-MOS管控制電機的一相時,這樣便有上管和下管之分,上下管不能同時導通,否則就會爆管。見下圖,圖中的VS是浮動的,如果上管導通,VS的電壓會非常接近VP,為啥會說是接近而不是相等呢?那是因為MOS管存在壓降,還有一些原因也會導致VP不等VS。如果下管導通,VS則會接近VN。上文已經說N-MOS導通的條件了,現在我們看看假如U1導通,VS電壓慢慢趨近與VP,當兩者的壓差不足以使MOS導通會出現啥情況,會不會出現一會開啟一會關斷的情況。這樣的結果肯定不是我們需要的,那我們需要怎么做才能使MOS管導通,這下就接入我們的主題之一了,自舉電路。假如驅動MOS管的電壓為15V左右,那如果要讓U1一直導通就需要HO-VS>=15V,才能正常驅動MOS管,如何維持這個電壓呢,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導通,自舉電容給上管供電。二極管的作用是在上管導通時防止電容放電損壞VCC。電路的原理就是這樣。
自舉電容進行初始化啟動和充電受限的問題
啟動時,在某些條件下,自舉二極管D1可能處于反偏,上管U1的導通時間不足,自舉電容不能保持所需要的電荷。這樣就可能導致上管不能正常導通,我們在每次啟動之前可以先讓下管導通,讓電容充電到VCC。
VS端產生負壓問題
上管斷開的時候,線圈L1會產生感應電動勢,線圈中的電流會阻止電流的降低,于是瞬間切換到下管的體二極管上續流。由于寄生電感Ls1,Ls2的的存在,VS會感應出負壓,這個值VS=-Ls*di/dt,幅值的大小取決于寄生電感Ls。
如果VS幅值過大,又會產生三個問題
③上管Q1的Vgs=Vg-Vs,因為此時上管關斷,所以Vg=0,也就代表著Vgs的幅值等于VS的絕對值,當這個值超過MOS管的門限閾值電壓,上管就會導通,這時上下管同時導通,管子就會炸裂。
在D1前面串聯一個電阻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,防止充電時電流過大,損壞C1同時可緩解VS端負壓造成的影響。
自舉電容C1并聯一個穩壓二極管,防止MOS管產生的浪涌電流損壞C1,同時讓電容兩端電壓更穩定。
在下管U2的ds之間并聯一個低壓降的肖特基二極管D3。當上管關斷時,VS產生的負壓就會被D3鉗位,一般管壓降為0.7V。當VN為地時,VS被限制在-0.7V。
在自舉電容計算之前先補習一下基本的知識點
電荷量公式
Q=It(其中I是電流,單位A,t是時間,單位s)
Q=ne(其中n為整數,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:
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:
QTOT=QGATE+QLS+(ILKCAP+ILKGS+IQBS+ILK+ILKDIODE)*TON
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:
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。
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。找元器件現貨上唯樣商城
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。
審核編輯:黃飛
①自舉電容C1過壓
C1的壓降等于VCC-VS,VS為負壓,相當于負壓越大,C1兩端承受的壓差越大。
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原文標題:自舉電路的說明及相關計算
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