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驅(qū)動電路設(shè)計(六)——驅(qū)動器的自舉電源動態(tài)過程

英飛凌工業(yè)半導(dǎo)體 ? 2025-03-17 17:32 ? 次閱讀

驅(qū)動電路設(shè)計是功率半導(dǎo)體應(yīng)用的難點,涉及到功率半導(dǎo)體的動態(tài)過程控制及器件的保護,實踐性很強。為了方便實現(xiàn)可靠的驅(qū)動設(shè)計,英飛凌的驅(qū)動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(yīng)用這些功能。

自舉電路在電平位移驅(qū)動電路應(yīng)用很廣泛,電路非常簡單,成本低,而且有很多實際案例可以抄作業(yè),不過,由于系統(tǒng)往往存在特殊或極端工況,如設(shè)計不當(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,低于欠壓保護值UVLO,這時候就出現(xiàn)了系統(tǒng)故障,嚴重時會損壞系統(tǒng)。所以英飛凌在相關(guān)的數(shù)據(jù)手冊和應(yīng)用指南中有詳細設(shè)計指導(dǎo)和工況分析,分析了電壓紋波,啟動過程的階躍響應(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

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

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圖1. 自舉電路的等效電路

自舉等效電路簡化了VBS即自舉電容器Cboot上的電壓特性作為模擬調(diào)制開關(guān)S1開關(guān)狀態(tài)函數(shù)的計算,也簡化其與占空比(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

研究自舉電路動態(tài)過程的最好方法是仿真,下面舉一個數(shù)值的案例做些分析:

設(shè)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%時的仿真結(jié)果。

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

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圖2. 紋波與自舉電容

自舉電路的時間常數(shù)

自舉建立過程是建立在下管導(dǎo)通期間,這時候半橋電路已經(jīng)開始工作了,但上管平均自舉電壓的建立是需要一個過程,圖3顯示了系統(tǒng)在自舉電容器完全充電至15V(D=100%)時的階躍響應(yīng)。從圖中可以看出,平均自舉電壓VBS的行為類似于單階系統(tǒng),其時間常數(shù)由下列公式計算得出。

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通過占空比與系統(tǒng)階躍響應(yīng)之間的關(guān)系,我們可以了解到,占空比越小,時間常數(shù)(τ)越大,因此響應(yīng)越慢,建立平均電壓時間長,如紅色曲線,而占空比越高,響應(yīng)越快,達到平均電壓時間短,如粉紅曲線

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

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圖3. 開關(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;

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2. Rboot=220Ω、Cboot=1μF、D=30%,粉紅色曲線;

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看到占空比是10%時,時間常數(shù)是2.2ms,當(dāng)占空比提高到30%時,時間常數(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在低占空比時會增加。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,一個基于正弦波基波加上3次諧波調(diào)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(yù)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(shù)(正弦+3次諧波),該角度從0°到360°。

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圖4. 不同輸出頻率下的VBS

系統(tǒng)的不同輸出頻率也會影響自舉電壓值,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VBS(DC)代表使用前面提到的靜態(tài)方程時得到的曲線,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(diào)制的情況。其他類型的調(diào)制時的工況需要另外分析。

結(jié)論:

自舉電源的電壓會比驅(qū)動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)計算結(jié)果嚴酷;

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