驅動電路設計(四)---驅動器的自舉電源綜述
發布時間:2025-03-07 來源:英飛淩工業半導體 責任編輯:lina
【導讀】qudongdianlushejishigonglvbandaotiyingyongdenandian,shejidaogonglvbandaotidedongtaiguochengkongzhijiqijiandebaohu,shijianxinghenqiang。weilefangbianshixiankekaodequdongsheji,yingfeilingdequdongjichengdianluzidaileyixiezhongyaodegongneng,benxiliewenzhangjiangxiangxijiangjieruhezhengquelijieheyingyongzhexiegongneng。
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驅(qu)動(dong)電(dian)路(lu)有(you)兩(liang)類(lei),隔(ge)離(li)型(xing)的(de)驅(qu)動(dong)電(dian)路(lu)和(he)電(dian)平(ping)位(wei)移(yi)驅(qu)動(dong)電(dian)路(lu),他(ta)們(men)對(dui)電(dian)源(yuan)的(de)要(yao)求(qiu)不(bu)一(yi)樣(yang),隔(ge)離(li)型(xing)的(de)驅(qu)動(dong)電(dian)路(lu)需(xu)要(yao)隔(ge)離(li)電(dian)源(yuan),驅(qu)動(dong)集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)一(yi)般(ban)都(dou)支(zhi)持(chi)正(zheng)負(fu)電(dian)源(yuan),而(er)電(dian)平(ping)位(wei)移(yi)驅(qu)動(dong)電(dian)路(lu)一(yi)般(ban)采(cai)用(yong)非(fei)隔(ge)離(li)的(de)自(zi)舉(ju)電(dian)源(yuan),一(yi)般(ban)是(shi)單(dan)極(ji)性(xing)正(zheng)電(dian)源(yuan)。
隨著IGBT技術的發展和係統設計的優化,電平位移驅動電路應用場景越來越廣,電路從600V拓展到了1200V。1200V係列驅動電流可達+/-2.3A,可驅動中功率IGBT,包括Easy係列模塊。目標10kW+應用,如商用HVAC、熱泵、伺服驅動器、工業變頻器、泵和風機。
電平位移驅動電路隻能實現功能隔離,所以非隔離的自舉電路是最合適的選擇。
自舉電路
在一些低成本的應用中,特別是對於600V的IGBT和一些小功率的1200V的IGBT,業界總是嚐試把驅動級電源的成本降到最低。因而自舉電路在這些應用中非常受歡迎。
典型自舉電路如圖1所示,自舉電路僅僅需要一個15~18V的電源來給逆變器的驅動級供電,所有半橋下橋臂IGBT的驅動器都與這個電源直接相連,(見圖1中的VSL引腳)。半橋上橋臂IGBT的驅動器通過電阻Rb和二極管VDb連到電源(VSH引腳)上。每個驅動器的電源引腳上都有一個電容(C1和C2)來濾波。電容器C2隻給下橋臂驅動器濾波和提供瞬態電流。
圖1.自舉電路
然而,上端電容器C1還有另外的任務。電路啟動時,電容器沒有或隻是部分充電。但是當底部IGBT VT2導通後,電流通過Rb和VDb為C1充電且基本達到電源電壓的水平。當然這個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的導通壓降。當下橋臂IGBT VT2關斷時,電容器C1接地電位上升,可以滿足上端驅動級所需要的電壓,所以該電容也被稱作自舉電容。一旦VT1開通,電壓發生變化,自舉二極管VDb要承受直流母線電壓。
為了驅動VT1,電容器C1相應地放電。隨著接下來IGBT VT2的導通,C1流失的電荷得到補充,這樣能循環工作。
自舉電路設計很巧妙,簡單好用,但能夠正常運轉,需要注意一係列問題:
係統啟動時,要保證先開通半橋的下橋臂IGBT,這樣自舉電容能夠被充電到上橋臂所需的驅動電壓的額定值。否則可能會導致不受控製的開關狀態和/或錯誤產生。
自舉電容器C1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部驅動器的能量要求。
自舉電容器的電壓不能低於最小值,否則就會出現低壓閉鎖保護。
最初給自舉電容器充電時,可能出現很大的峰值電流。這可能會幹擾其他電路。因此建議用個小電阻Rb來限製電流。
一方麵,自舉二極管必須快,因為它工作的頻率和IGBT是一樣的,一般用超快恢複二極管,如果功率器件是SiCMOS話這個二極管可能需要SiC二極管;另一方麵,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。在選擇二極管的時候,考慮到其額定電壓和開關頻率,二極管的封裝必須保證足夠大的電氣間隙和爬電距離。
當選擇驅動電源電壓時,要考慮自舉電路的損耗,必須考慮驅動器內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致開通損耗增加(因為電壓UCEsat增加)。
上下驅動器的供電電壓都是USupply。然而,上橋臂驅動器的供電電壓需要減去上文提到的電壓,這樣導致上橋臂的IGBT VT1驅動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通的。因此,電壓USupply選取應當保證VT1有足夠的柵極電壓,並且同時VT2的柵極電壓也不會變得太高。
對於自舉電容器,應該選用低等效串聯電阻ESR和等效串聯電感ESL的電容器(比如陶瓷電容),這樣可以有效為驅動提供脈衝電流。根據需要和應用環境,也可以選用高容量的電容(比如電解電容)與這些電容並聯使用。相比陶瓷電容,電解電容具有更高的ESR和ESL值,所以建議並聯陶瓷電容。通常,這一設計原則也適用於下橋臂驅動器的緩衝電容C2。
用自舉電路來提供負電壓的做法是不常見的,如此一來,就必須注意IGBT的寄生導通了(密勒鉗位可以防止寄生導通,參考《驅動電路設計(三)---驅動器的功能---電源》)。
最後需要注意的是,IGBT開關產生的dv/dt通過自舉二極管VDbdejiedianronghuichanshenggongmodianliu,yincixuanzeheshidegaoyaerjiguanshizhiguanzhongyaode。yingfeilingdeyixiedianpingweiyiqudongdianluxinpianjianggaoyazijuerjiguanjichengzaixinpianli,shejiyingdangzhuyizuidadv/dt不能超出最大承受能力。另外,二極管VDb與其串聯電阻Rb共同決定充電電流,當開關頻率為fSW時,可以計算最大Cb。
可以用下麵的公式估算自舉電容的值,即:
式中:
QG為IGBT的柵極電荷
Iq為相關驅動器的靜態電流
Ileak為自舉電容的漏電流(隻與電解電容有關)
fSW為IGBT的開關頻率
UCC為驅動電源電壓
UF為自舉二極管的正向電壓
UCEsat為下橋臂IGBT的飽和電壓
S為餘量係數
在計算這個電容時,應該選用一個足夠大的餘量因數S,使得選擇的電容在開通IGBT時,電壓降小於5%,S的值通常大於10。
自舉電路具有簡單、成cheng本ben低di的de優you點dian。而er且qie有you很hen多duo實shi際ji案an例li可ke以yi抄chao作zuo業ye,不bu過guo,由you於yu係xi統tong往wang往wang存cun在zai特te殊shu或huo極ji端duan工gong況kuang,如ru設she計ji不bu當dang,調tiao製zhi頻pin率lv或huo占zhan空kong比bi不bu足zu以yi刷shua新xin自zi舉ju電dian容rong器qi上shang電dian荷he,電dian容rong上shang的de電dian壓ya不bu夠gou,低di於yu低di電dian壓ya關guan閉bi值zhiUVLO,這時候就出現了係統故障,嚴重時會損壞係統。
下篇文章開始詳細介紹自舉電路的設計,討論設計中的一些問題,幫助理解自舉電路。
參考資料
1.《IGBT模塊:技術、驅動和應用》機械工業出版社
2. 微信文章:自舉電路工作原理和自舉電阻和電容的選取
3.微信文章: 新品 | 帶有集成自舉二極管和OCP的1200V半橋柵極驅動器2ED132xS12x係列
(作者:陳子穎 鄭姿清,來源:英飛淩工業半導體)
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