驅動(dòng)電路設計（六）——驅動(dòng)器的自舉電源動(dòng)態(tài)過(guò)程

驅動(dòng)電路設計是功率半導體應用的難點(diǎn)，涉及到功率半導體的動(dòng)態(tài)過(guò)程控制及器件的保護，實(shí)踐性很強。為了方便實(shí)現可靠的驅動(dòng)設計，英飛凌的驅動(dòng)集成電路自帶了一些重要的功能，本系列文章講詳細講解如何正確理解和應用這些功能。

自舉電路在電平位移驅動(dòng)電路應用很廣泛，電路非常簡(jiǎn)單，成本低，而且有很多實(shí)際案例可以抄作業(yè)，不過(guò)，由于系統往往存在特殊或極端工況，如設計不當調制頻率或占空比不足以刷新自舉電容器上電荷，電容上的電壓不夠，低于欠壓保護值UVLO，這時(shí)候就出現了系統故障，嚴重時(shí)會(huì )損壞系統。所以英飛凌在相關(guān)的數據手冊和應用指南中有詳細設計指導和工況分析，分析了電壓紋波，啟動(dòng)過(guò)程的階躍響應和三相空間矢量（或三相正弦波+3次諧波）調制的情況。

自舉電路原理

在研究半橋拓撲中使用的自舉電路元器件取值大小細節之前，需要復習前兩篇提到的一些基礎知識，為此我們再放一張簡(jiǎn)化等效電路有助于分析加深理解（見(jiàn)圖1）。

圖1. 自舉電路的等效電路

自舉等效電路簡(jiǎn)化了VBS即自舉電容器Cboot上的電壓特性作為模擬調制開(kāi)關(guān)S1開(kāi)關(guān)狀態(tài)函數的計算，也簡(jiǎn)化其與占空比（D=占空比=T(ON)/T≡1-D）、柵極電荷QG、漏電流Ileak以及自舉電阻Rboot和自舉電容Cboot的計算。

VBSMAX代表電源電壓、加上或減去自舉電路的靜態(tài)電壓降。

自舉電壓紋波和平均值

研究自舉電路動(dòng)態(tài)過(guò)程的最好方法是仿真，下面舉一個(gè)數值的案例做些分析：

設計條件

QG=40nC, f=1/TS=20kHz，

Ileak=200μA, Rboot=220?

圖2顯示了不同自舉電容在10%的占空比時(shí)的效果，不難發(fā)現電容值的大小只影響VBS紋波（平均值保持不變）。而圖3所示為Cboot等于47nF和1μF（預充電到VBSMAX=15V），占空比等于DMIN=10%或30%時(shí)的仿真結果。

綠色和黃色曲線(xiàn)表示47nF自舉電容器的VBS。紫色和紅色曲線(xiàn)表示使用1μF自舉電容器的VBS。

圖2. 紋波與自舉電容

自舉電路的時(shí)間常數

自舉建立過(guò)程是建立在下管導通期間，這時(shí)候半橋電路已經(jīng)開(kāi)始工作了，但上管平均自舉電壓的建立是需要一個(gè)過(guò)程，圖3顯示了系統在自舉電容器完全充電至15V（D=100%）時(shí)的階躍響應。從圖中可以看出，平均自舉電壓VBS的行為類(lèi)似于單階系統，其時(shí)間常數由下列公式計算得出。

通過(guò)占空比與系統階躍響應之間的關(guān)系，我們可以了解到，占空比越小，時(shí)間常數(τ)越大，因此響應越慢，建立平均電壓時(shí)間長(cháng)，如紅色曲線(xiàn)，而占空比越高，響應越快，達到平均電壓時(shí)間短，如粉紅曲線(xiàn)。

從上面公式還可以看出，達到平均電壓的時(shí)間與電容大小也有關(guān)，電容小則時(shí)間短，可以比較粉紅色和綠色的平均電壓建立過(guò)程曲線(xiàn)。

圖3. 開(kāi)關(guān)的占空比與自舉電容

圖4中顯示了兩種占空比：

1. Rboot=220Ω、Cboot=1μF、D=10%，紅色曲線(xiàn)；

2. Rboot=220Ω、Cboot=1μF、D=30%，粉紅色曲線(xiàn)；

看到占空比是10%時(shí)，時(shí)間常數是2.2ms，當占空比提高到30%時(shí)，時(shí)間常數只有733μs.

按照上一篇文章的穩態(tài)討論結論：

QTOT=QG+Ileak*TOFF=QG+Ileak*(1-D)*TS，

QTOT在低占空比時(shí)會(huì )增加。在這種情況下，就需要采用較大的自舉電容器，以控制紋波和增加平均電壓時(shí)間常數。

自舉電壓與基波的關(guān)系

由于有自舉電阻和電容存在，可以認為其是占空比變化的自適應濾波器。以正弦調制加3次諧波注入的為例，在仿真中，一個(gè)基于正弦波基波加上3次諧波調制的PWM信號被送到電路中（TS=50μs，頻率=fe）。

圖4顯示了不同輸出頻率下的預期（計算值）VBS。占空比用角度表示（等于2πfe，其中fe為輸出頻率）的函數（正弦+3次諧波），該角度從0°到360°。

圖4. 不同輸出頻率下的VBS

系統的不同輸出頻率也會(huì )影響自舉電壓值，即不同fe得到的VBS電壓，基波頻率低，自舉電壓紋波就大。黃色曲線(xiàn)VBS(DC)代表使用前面提到的靜態(tài)方程時(shí)得到的曲線(xiàn)，是最最嚴酷的工況。

本文的例子是使用三相空間矢量（或三相正弦波+3次諧波）調制的情況。其他類(lèi)型的調制時(shí)的工況需要另外分析。

 結論： 

◆ 自舉電源的電壓會(huì )比驅動(dòng)電路的供電電源電壓VCC要低，其電壓降取決于自舉電阻的壓降和自舉電容上的紋波；

◆ 自舉平均電壓建立的時(shí)間常數由占空比、自舉電容和電阻決定；

◆ 自舉電容器大，VBS紋波?。ㄆ骄当３植蛔儯?；

◆ 輸出基波頻率低，自舉紋波大，靜態(tài)計算結果嚴酷；

系列文章

驅動(dòng)電路設計（一）——驅動(dòng)器的功能綜述  http://dyxdggzs.com/article/202502/466941.htm

驅動(dòng)電路設計（二）——驅動(dòng)器的輸入側探究  http://dyxdggzs.com/article/202502/467031.htm

驅動(dòng)電路設計（三）---驅動(dòng)器的隔離電源雜談  http://dyxdggzs.com/article/202503/467754.htm

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