【導(dǎo)讀】驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)是功率半導(dǎo)體應(yīng)用的難點(diǎn)，涉及到功率半導(dǎo)體的動(dòng)態(tài)過(guò)程控制及器件的保護(hù)，實(shí)踐性很強(qiáng)。為了方便實(shí)現(xiàn)可靠的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，英飛凌的驅(qū)動(dòng)集成電路自帶了一些重要的功能，本系列文章講詳細(xì)講解如何正確理解和應(yīng)用這些功能。
驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)是功率半導(dǎo)體應(yīng)用的難點(diǎn)，涉及到功率半導(dǎo)體的動(dòng)態(tài)過(guò)程控制及器件的保護(hù)，實(shí)踐性很強(qiáng)。為了方便實(shí)現(xiàn)可靠的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，英飛凌的驅(qū)動(dòng)集成電路自帶了一些重要的功能，本系列文章講詳細(xì)講解如何正確理解和應(yīng)用這些功能。
自舉電路在電平位移驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)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(tǒng)往往存在特殊或極端工況，如設(shè)計(jì)不當(dāng)調(diào)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(hù)值UVLO，這時(shí)候就出現(xiàn)了系統(tǒng)故障，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞系統(tǒng)。所以英飛凌在相關(guān)的數(shù)據(jù)手冊(cè)和應(yīng)用指南中有詳細(xì)設(shè)計(jì)指導(dǎo)和工況分析，分析了電壓紋波，啟動(dòng)過(guò)程的階躍響應(yīng)和三相空間矢量（或三相正弦波+3次諧波）調(diào)制的情況。
自舉電路原理
在研究半橋拓?fù)渲惺褂玫淖耘e電路元器件取值大小細(xì)節(jié)之前，需要復(fù)習(xí)前兩篇提到的一些基礎(chǔ)知識(shí)，為此我們?cè)俜乓粡埡?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(diào)制開(kāi)關(guān)S1開(kāi)關(guān)狀態(tài)函數(shù)的計(jì)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(jì)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(shù)值的案例做些分析：
設(shè)計(jì)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(xiàn)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(yù)充電到VBSMAX=15V），占空比等于DMIN=10%或30%時(shí)的仿真結(jié)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(shù)
自舉建立過(guò)程是建立在下管導(dǎo)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(tǒng)在自舉電容器完全充電至15V（D=100%）時(shí)的階躍響應(yīng)。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(tǒng)，其時(shí)間常數(shù)由下列公式計(jì)算得出。
通過(guò)占空比與系統(tǒng)階躍響應(yīng)之間的關(guān)系，我們可以了解到，占空比越小，時(shí)間常數(shù)(τ)越大，因此響應(yīng)越慢，建立平均電壓時(shí)間長(zhǎng)，如紅色曲線(xiàn)，而占空比越高，響應(yīng)越快，達(dá)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(dá)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(shù)是2.2ms，當(dāng)占空比提高到30%時(shí)，時(shí)間常數(shù)只有733μs.
按照上一篇文章的穩(wěn)態(tài)討論結(jié)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(shù)。
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(rèn)為其是占空比變化的自適應(yīng)濾波器。以正弦調(diào)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(diào)制的PWM信號(hào)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(yù)期（計(jì)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(shù)（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(tǒng)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(yán)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(diào)制的情況。其他類(lèi)型的調(diào)制時(shí)的工況需要另外分析。
結(jié)論：
自舉電源的電壓會(huì)比驅(qū)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(shù)由占空比、自舉電容和電阻決定； 自舉電容器大，VBS紋波小（平均值保持不變）； 輸出基波頻率低，自舉紋波大，靜態(tài)計(jì)算結(jié)果嚴(yán)酷。
（作者：陳子穎，鄭姿清；來(lái)源：英飛凌工業(yè)半導(dǎo)體）
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