驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)（四）---驅(qū)動(dòng)器的自舉電源綜述

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)電路有兩類，隔離型的驅(qū)動(dòng)電路和電平位移驅(qū)動(dòng)電路，他們對(duì)電源的要求不一樣，隔離型的驅(qū)動(dòng)電路需要隔離電源，驅(qū)動(dòng)集成電路一般都支持正負(fù)電源，而電平位移驅(qū)動(dòng)電路一般采用非隔離的自舉電源，一般是單極性正電源。

隨著IGBT技術(shù)的發(fā)展和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，電平位移驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)用場(chǎng)景越來(lái)越廣，電路從600V拓展到了1200V。1200V系列驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)+/-2.3A，可驅(qū)動(dòng)中功率IGBT，包括Easy系列模塊。目標(biāo)10kW+應(yīng)用，如商用HVAC、熱泵、伺服驅(qū)動(dòng)器、工業(yè)變頻器、泵和風(fēng)機(jī)。

電平位移驅(qū)動(dòng)電路只能實(shí)現(xiàn)功能隔離，所以非隔離的自舉電路是最合適的選擇。

自舉電路

在一些低成本的應(yīng)用中，特別是對(duì)于600V的IGBT和一些小功率的1200V的IGBT，業(yè)界總是嘗試把驅(qū)動(dòng)級(jí)電源的成本降到最低。因而自舉電路在這些應(yīng)用中非常受歡迎。

典型自舉電路如圖1所示，自舉電路僅僅需要一個(gè)15~18V的電源來(lái)給逆變器的驅(qū)動(dòng)級(jí)供電，所有半橋下橋臂IGBT的驅(qū)動(dòng)器都與這個(gè)電源直接相連，(見(jiàn)圖1中的VSL引腳)。半橋上橋臂IGBT的驅(qū)動(dòng)器通過(guò)電阻Rb和二極管VDb連到電源(VSH引腳)上。每個(gè)驅(qū)動(dòng)器的電源引腳上都有一個(gè)電容(C1和C2)來(lái)濾波。電容器C2只給下橋臂驅(qū)動(dòng)器濾波和提供瞬態(tài)電流。

圖1.自舉電路

然而，上端電容器C1還有另外的任務(wù)。電路啟動(dòng)時(shí)，電容器沒(méi)有或只是部分充電。但是當(dāng)?shù)撞縄GBT VT2導(dǎo)通后，電流通過(guò)Rb和VDb為C1充電且基本達(dá)到電源電壓的水平。當(dāng)然這個(gè)電壓需要減去二極管VDb的正向電壓，電阻Rb的壓降和底部IGBT VT2的導(dǎo)通壓降。當(dāng)下橋臂IGBT VT2關(guān)斷時(shí)，電容器C1接地電位上升，可以滿足上端驅(qū)動(dòng)級(jí)所需要的電壓，所以該電容也被稱作自舉電容。一旦VT1開(kāi)通，電壓發(fā)生變化，自舉二極管VDb要承受直流母線電壓。

為了驅(qū)動(dòng)VT1，電容器C1相應(yīng)地放電。隨著接下來(lái)IGBT VT2的導(dǎo)通，C1流失的電荷得到補(bǔ)充，這樣能循環(huán)工作。

自舉電路設(shè)計(jì)很巧妙，簡(jiǎn)單好用，但能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)，需要注意一系列問(wèn)題：

系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，要保證先開(kāi)通半橋的下橋臂IGBT，這樣自舉電容能夠被充電到上橋臂所需的驅(qū)動(dòng)電壓的額定值。否則可能會(huì)導(dǎo)致不受控制的開(kāi)關(guān)狀態(tài)和/或錯(cuò)誤產(chǎn)生。

自舉電容器C1的容量必須足夠大，這樣可以在一個(gè)完整的工作循環(huán)內(nèi)滿足上部驅(qū)動(dòng)器的能量要求。

自舉電容器的電壓不能低于最小值，否則就會(huì)出現(xiàn)低壓閉鎖保護(hù)。

最初給自舉電容器充電時(shí),可能出現(xiàn)很大的峰值電流。這可能會(huì)干擾其他電路。因此建議用個(gè)小電阻Rb來(lái)限制電流。

一方面，自舉二極管必須快，因?yàn)樗ぷ鞯念l率和IGBT是一樣的，一般用超快恢復(fù)二極管，如果功率器件是SiCMOS話這個(gè)二極管可能需要SiC二極管；另一方面，它必須有足夠大的耐壓，至少和IGBT的阻斷電壓一樣大。這就意味著，600V/1200V的IGBT，就必須選擇600V/1200V的自舉二極管。在選擇二極管的時(shí)候，考慮到其額定電壓和開(kāi)關(guān)頻率，二極管的封裝必須保證足夠大的電氣間隙和爬電距離。

當(dāng)選擇驅(qū)動(dòng)電源電壓時(shí)，要考慮自舉電路的損耗，必須考慮驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部電壓降以及自舉二極管VDb和電阻Rb的壓降，還必須減去下橋臂IGBT VT2的飽和電壓。最終的自舉電壓要保證上管IGBT柵極電壓不能太低而導(dǎo)致開(kāi)通損耗增加（因?yàn)殡妷?i>UCEsat增加）。

上下驅(qū)動(dòng)器的供電電壓都是USupply。然而，上橋臂驅(qū)動(dòng)器的供電電壓需要減去上文提到的電壓，這樣導(dǎo)致上橋臂的IGBT VT1驅(qū)動(dòng)電壓總是要比下橋臂VT2要低，是在不同的正向柵極電壓下開(kāi)通的。因此，電壓USupply選取應(yīng)當(dāng)保證VT1有足夠的柵極電壓，并且同時(shí)VT2的柵極電壓也不會(huì)變得太高。

對(duì)于自舉電容器，應(yīng)該選用低等效串聯(lián)電阻ESR和等效串聯(lián)電感ESL的電容器(比如陶瓷電容)，這樣可以有效為驅(qū)動(dòng)提供脈沖電流。根據(jù)需要和應(yīng)用環(huán)境，也可以選用高容量的電容(比如電解電容)與這些電容并聯(lián)使用。相比陶瓷電容，電解電容具有更高的ESR和ESL值，所以建議并聯(lián)陶瓷電容。通常，這一設(shè)計(jì)原則也適用于下橋臂驅(qū)動(dòng)器的緩沖電容C2。

用自舉電路來(lái)提供負(fù)電壓的做法是不常見(jiàn)的，如此一來(lái)，就必須注意IGBT的寄生導(dǎo)通了

最后需要注意的是，IGBT開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的dv/dt通過(guò)自舉二極管VDb的結(jié)電容會(huì)產(chǎn)生共模電流，因此選擇合適的高壓二極管是至關(guān)重要的。英飛凌的一些電平位移驅(qū)動(dòng)電路芯片將高壓自舉二極管集成在芯片里，設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)注意最大dv/dt不能超出最大承受能力。另外，二極管VDb與其串聯(lián)電阻Rb共同決定充電電流，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率為fSW時(shí)，可以計(jì)算最大Cb。

可以用下面的公式估算自舉電容的值，即：

式中:

QG為IGBT的柵極電荷

Iq為相關(guān)驅(qū)動(dòng)器的靜態(tài)電流

Ileak為自舉電容的漏電流(只與電解電容有關(guān))

fSW為IGBT的開(kāi)關(guān)頻率

UCC為驅(qū)動(dòng)電源電壓

UF為自舉二極管的正向電壓

UCEsat為下橋臂IGBT的飽和電壓

S為余量系數(shù)

在計(jì)算這個(gè)電容時(shí)，應(yīng)該選用一個(gè)足夠大的余量因數(shù)S，使得選擇的電容在開(kāi)通IGBT時(shí)，電壓降小于5%，S的值通常大于10。

自舉電路具有簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)點(diǎn)。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，低于低電壓關(guān)閉值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)。

下篇文章開(kāi)始詳細(xì)介紹自舉電路的設(shè)計(jì)，討論設(shè)計(jì)中的一些問(wèn)題，幫助理解自舉電路。