自舉升壓驅(qū)動芯片的基本原理

自舉升壓驅(qū)動芯片在MOS/IGBT的驅(qū)動中應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，自舉升壓作為產(chǎn)生浮地電源的普遍方法，應(yīng)用起來十分便捷，行之有效。

自舉升壓驅(qū)動芯片將自舉升壓電源和大電流門極驅(qū)動集成在同一個芯片，通過一個低壓供電的驅(qū)動芯片同時驅(qū)動半橋上的兩個開關(guān)管，高邊開關(guān)管可以處于高達(dá)1200V的漏極電壓下。芯片內(nèi)部需要有隔離或電平移相電路將低壓驅(qū)動信號傳遞到高邊開關(guān)管的驅(qū)動電路。

自舉升壓驅(qū)動芯片的誕生是針對半橋功率電路，但由于自舉升壓方法的便捷性與靈活性，這一類芯片也可以應(yīng)用于其他方面。本文介紹一種使用自舉升壓芯片在15V供電電壓下產(chǎn)生30V45V乃至更高電壓方波的方法，其實(shí)就是一個電壓加倍的方法。

上圖用于分析自舉升壓驅(qū)動的基本原理，在此前一篇分析自舉電源機(jī)理的文章中已經(jīng)做過一些分析，此處再次進(jìn)行說明。首先假設(shè)下管Q2開通，上管Q1關(guān)斷，自舉電源的地FGND通過Q2與母線地GND連接在一起，15V電源通過二極管D1向電容C1充電，電容C1上得到了將近15V的電壓。當(dāng)Q1開通Q2關(guān)斷時，自舉電源地FGND與母線電壓VBUS短接，自舉電源F15V已經(jīng)比母線電壓VBUS高15V了，此時就可以使用自舉產(chǎn)生的電壓驅(qū)動Q1。

其實(shí)這段分析中出現(xiàn)了一個悖論，分析中首先假設(shè)Q1開通，然后才獲得了高于母線的驅(qū)動電壓，然而在尚未獲得高于母線的自舉電壓前，是如何使Q1開通的的呢?其實(shí)在動態(tài)過程中，這個自舉電壓是隨著橋臂中點(diǎn)電壓逐漸升到母線電壓的。它只需要確保Q1的Vgs是15V就可以了，Q1的源極是在Q2關(guān)斷后逐漸上升到母線電壓，這一過程根據(jù)不同的負(fù)載類型會有所區(qū)別。例如圖中的感性負(fù)載，由于電感的續(xù)流，在Q2關(guān)斷后，Q1開通前，電感電流流過Q1的體二極管，體二極管導(dǎo)通后Q1的源極就已經(jīng)和母線電壓幾乎相等了。如果是純阻性或容性負(fù)載，需要等到Q1門極與源極間獲得15V驅(qū)動電壓，Q1導(dǎo)通并向負(fù)載電容上充電，致使橋臂中點(diǎn)電壓上升至VBUS。

根據(jù)以上講解，其實(shí)自舉升壓就是將一個電容充好電，然后用一個可以跳動的電壓將電容的負(fù)壓端舉高高，那么正壓端就會獲得一個更高的電壓。如果我們用下管的驅(qū)動作為這個跳動的電壓，通過上管的自舉升壓，就可以在上管驅(qū)動電壓端口獲得一個相對于地的二倍電壓。

上圖給出了一個使用自舉升壓芯片驅(qū)動MOS半橋的典型電路，通過二極管D與電容C獲得自舉電源，自舉電源的VCC和GND分別對應(yīng)芯片的VB和VS，HO與LO是高邊和低邊MOS的門極驅(qū)動信號，HIN和LIN是驅(qū)動信號的輸入。圖中的驅(qū)動芯片型號為IR2101，是國際整流器公司(IR)比較老的產(chǎn)品，目前國際整流器公司已經(jīng)被英飛凌收購，同類的芯片在英飛凌和德州儀器均有大量可替代型號。

上圖中去掉MOS，我們將自舉電源的地VS直接與低邊驅(qū)動信號VO連接在一起，將兩個輸入信號短接，共用同一個方波信號。

得到如圖的連接結(jié)構(gòu)。此時如果給Vin輸入一個方波，即可在Vout得到一個幅值為30V的方波。當(dāng)輸入為0時，LO輸出低電平，HO也輸出低電平，HO的自舉電源地與LO相連，因此低電平就是0V。當(dāng)輸入為1時，LO輸出15V，HO輸出相對于自舉電源地的15V，因此HO相對于地的電壓為30V。

其實(shí)這還沒有結(jié)束，如果想獲得更高的電壓，可以增加相同的芯片，將第二片芯片的自舉電壓地也就是VS連接到第一片芯片的HO上，就可以在第二片芯片的HO上獲得45V方波。當(dāng)然這個過程并沒有考慮二極管的壓降。

關(guān)于自舉升壓芯片的選型，要注意芯片是否支持LO與HO同時輸出高電平，因?yàn)樵诎霕驊?yīng)用中，通常需要避免上下管同時導(dǎo)通，因此部分芯片在內(nèi)部做了邏輯限制直通，需要通過閱讀規(guī)格書判斷是否存在這個問題。

關(guān)于高幅值方波的應(yīng)用，本文舉個例子，例如超聲波發(fā)射模塊的驅(qū)動。超聲波模塊的發(fā)射功率隨著驅(qū)動電壓的增大而增大，在超聲波測距的應(yīng)用中，如果想提高測量距離的范圍，一個方法是通過提高發(fā)射端驅(qū)動電壓，另一個方法是提高接收端放大電路的增益和信噪比。

如果峰峰值30V的驅(qū)動電壓你還覺得不夠，那么還可以使用兩個相同的自舉升壓電路，通入極性相反的驅(qū)動信號，如上圖所示。通過調(diào)整驅(qū)動回路的電容和電阻，可以獲得60V的峰峰值，如果將電阻換為電感，說不定效果更好。