自舉電容初始化啟動和充電受限問題分析

自舉電路

說起自舉電路估計離不開mos管，先來了解一下MOS管，MOS有N溝道和P溝道之分。對于N溝道的MOS管，導通時需要Ugs>Ugs(th),P溝道則相反，Ugs

P溝道 N溝道

當我們用兩個N-MOS管控制電機的一相時，這樣便有上管和下管之分，上下管不能同時導通，否則就會爆管。見下圖，圖中的VS是浮動的，如果上管導通，VS的電壓會非常接近VP，為啥會說是接近而不是相等呢？那是因為MOS管存在壓降，還有一些原因也會導致VP不等VS。如果下管導通，VS則會接近VN。上文已經說N-MOS導通的條件了，現在我們看看假如U1導通，VS電壓慢慢趨近與VP，當兩者的壓差不足以使MOS導通會出現啥情況，會不會出現一會開啟一會關斷的情況。這樣的結果肯定不是我們需要的，那我們需要怎么做才能使MOS管導通，這下就接入我們的主題之一了，自舉電路。假如驅動MOS管的電壓為15V左右，那如果要讓U1一直導通就需要HO-VS>=15V，才能正常驅動MOS管，如何維持這個電壓呢，這就需要自舉電容和自舉二極管了。

分析如下

下管U2導通，自舉電容C1通過自舉二極管D1被電源電壓瞬間充電，上管U1導通，自舉電容給上管供電。二極管的作用是在上管導通時防止電容放電損壞VCC。電路的原理就是這樣。

自舉電容進行初始化啟動和充電受限的問題

啟動時，在某些條件下，自舉二極管D1可能處于反偏，上管U1的導通時間不足，自舉電容不能保持所需要的電荷。這樣就可能導致上管不能正常導通，我們在每次啟動之前可以先讓下管導通，讓電容充電到VCC。

VS端產生負壓問題

上管斷開的時候，線圈L1會產生感應電動勢，線圈中的電流會阻止電流的降低，于是瞬間切換到下管的體二極管上續流。由于寄生電感Ls1，Ls2的的存在，VS會感應出負壓，這個值VS=-Ls*di/dt，幅值的大小取決于寄生電感Ls。

如果VS幅值過大，又會產生三個問題
①自舉電容C1過壓
C1的壓降等于VCC-VS，VS為負壓，相當于負壓越大，C1兩端承受的壓差越大。

②當這個負壓超過驅動芯片的極限電壓，芯片也會損壞。

③上管Q1的Vgs=Vg-Vs，因為此時上管關斷，所以Vg=0，也就代表著Vgs的幅值等于VS的絕對值，當這個值超過MOS管的門限閾值電壓，上管就會導通，這時上下管同時導通，管子就會炸裂。

在D1前面串聯一個電阻R3，取值不能太大，一般取1-3Ω，用來限制自舉電容C1的充電電流，防止充電時電流過大，損壞C1同時可緩解VS端負壓造成的影響。

自舉電容C1并聯一個穩壓二極管，防止MOS管產生的浪涌電流損壞C1，同時讓電容兩端電壓更穩定。

在下管U2的ds之間并聯一個低壓降的肖特基二極管D3。當上管關斷時，VS產生的負壓就會被D3鉗位，一般管壓降為0.7V。當VN為地時，VS被限制在-0.7V。

在自舉電容計算之前先補習一下基本的知識點

電荷量公式

Q=It(其中I是電流，單位A，t是時間，單位s)

Q=ne(其中n為整數，e指元電荷，e=1.6021892×10^-19庫侖)

Q=CU (其中C指電容，U指電壓)

自舉電容的選取

當下管S2導通，Vs電壓低于電源電壓(Vcc)時自舉電容(Cboot)每次都被充電。自舉電容僅當高端開關S1導通的時候放電。自舉電容給高端電路提供電源(VBS)。首先要考慮的參數是高端開關處于導通時，自舉電容的最大電壓降。允許的最大電壓降(Vbs)取決于要保持的最小柵極驅動電壓。如果VGSMIN最小的柵-源極電壓，電容的電壓降必須是:

其中：

Vcc=驅動芯片的電源電壓；

VF=自舉二極管正向壓降；

Vrboot=自舉電阻兩端的壓降；

Vcesat=下管S2的導通壓降

計算自舉電容為：

其中：

QTOT是電容器的電荷總量。

自舉電容的電荷總量通過等式4計算：

QTOT=QGATE+QLS+(ILKCAP+ILKGS+IQBS+ILK+ILKDIODE)*TON

下表是以IR2106+IKP15N65H5(18A@125°C)為例子計算自舉電容推薦：

推薦電容值必須根據使用的器件和應用條件來選擇。如果電容過小，自舉電容在上管開通時下降紋波過大，降低電容的使用壽命，開關管損耗變高，開關可靠性也變低；如果電容值過大，自舉電容的充電時間減少，低端導通時間可能不足以使電容達到自舉電壓。

選擇自舉電阻

自舉電阻的作用主要是防止首次對自舉電容充電時電流太大的限流，英飛凌的驅動芯片一般已經把自舉二極管和電阻內置，不需要額外考慮電阻的選取。這里只是給大家分析原理，當使用外部自舉電阻時，電阻RBOOT帶來一個額外的電壓降：

其中：

ICHARGE=自舉電容的充電電流；

RBOOT=自舉電阻；

tCHARGE=自舉電容的充電時間(下管導通時間)

該電阻值（一般5~15Ω）不能太大，否則會增加VBS時間常數。當計算最大允許的電壓降(VBOOT )時，必須考慮自舉二極管的電壓降。如果該電壓降太大或電路不能提供足夠的充電時間，我們可以使用一個快速恢復或超快恢復二極管。

實際選擇時我們可能考慮更多的是自舉電阻太小限制：

1. 充電電流過大在小功率輸出應用觸發采樣電阻過流保護

2. 過小的自舉電阻可能會造成更高的dVbs/dt,從而產生更高的Vs負壓，關于Vs負壓的危害我們會在后面繼續討論。

3. 充電電流過大容易導致充電階段Vcc電壓過低，造成欠壓保護。

4. 容易造成自舉二極管過流損壞。

自舉電路設計要點

為了保證自舉電路能夠正常工作，需要注意很多問題：

1. 開始工作后，總是先導通半橋的下橋臂IGBT，這樣自舉電容能夠被重新充電到供電電源的額定值。否則可能會導致不受控制的開關狀態和/或錯誤產生。

2. 自舉電容Cboot的容量必須足夠大，這樣可以在一個完整的工作循環內滿足上橋臂驅動器的能量要求。找元器件現貨上唯樣商城

3. 自舉電容的電壓不能低于最小值，否則就會出現欠壓閉鎖保護。

4. 最初給自舉電容充電時，可能出現很大的峰值電流。這可能會干擾其他電路，因此建議用低阻抗的自舉電阻限流。

5. 一方面，自舉二極管必須快，因為它的工作頻率和IGBT是一樣的，另一方面，它必須有足夠大的阻斷電壓，至少和IGBT的阻斷電壓一樣大。這就意味著600V的IGBT，必須選擇600V的自舉二極管。

6. 當選擇驅動電源Vcc電壓時，必須考慮驅動器內部電壓降及自舉二極管和自舉電阻的壓降，以防止IGBT柵極電壓不會太低而導致開通損耗增加。更進一步，所確定的電壓必須減去下管IGBT的飽和壓降，這樣導致上下管IGBT在不同的正向柵極電壓下開通，因此Vcc應當保證上管有足夠的柵極電壓，同時保證下管的柵極電壓不會變的太高。

7. 用自舉電路來提供負壓的做法是不常見的，如此一來，就必須注意IGBT的寄生導通。

最后，自舉電路也有一些局限性，有些應用如電機驅動的電機長期工作在低轉速大電流場合，下管的開通占空比一直比較小，造成上管的自舉充電不夠，這種情況需要在PWM算法上做特定占空比補償或者獨立電源供應。

審核編輯：黃飛