自舉電路如何計(jì)算

自舉電路，就是每路的高壓側(cè)MOSFET用自舉電容供電，整個(gè)電路（半橋或者H橋或者三相橋）的MOSFET驅(qū)動(dòng)芯片只用一個(gè)電源就可以了，并且這種方法大大減少了整個(gè)電路的元器件，簡(jiǎn)化了電路，降低了成本。本文中，首先介紹了自舉電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，然后介紹了兩種驅(qū)動(dòng)電路，最后給出了自舉電容的計(jì)算公式，并在Multism中進(jìn)行的仿真驗(yàn)證。

自舉電路的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

01

電壓自舉，就是利用電路自身產(chǎn)生比輸入電壓更高的電壓?；陔娙輧?chǔ)能的電壓自舉電路通常是利用電容對(duì)電荷的存儲(chǔ)作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)移，從而實(shí)現(xiàn)電壓的提升。如圖1-1是雙倍壓電壓自舉電路的基本原理圖。

圖1-1 電壓自舉電路示意圖

圖1-1中，假設(shè)所有開(kāi)關(guān)都是理想開(kāi)關(guān)，電容均為理想電容，當(dāng)開(kāi)關(guān)S1和S3閉合時(shí)，電源VCC給電容C充電使其電壓達(dá)到VCC，然后開(kāi)關(guān)S1和S3斷開(kāi)，S2閉合，直接接到電容C的低壓端，此時(shí)電容C上仍然保持有前一個(gè)相位存儲(chǔ)的電荷Q：

由于在S2閉合時(shí)，電容C上的電荷量不能突變，因此可以得到電荷平衡關(guān)系式為：

化簡(jiǎn)式（1.2）可得到：

式（1.3）表明，在沒(méi)有直流負(fù)載的情況下，通過(guò)圖1-1所示電路，在理想情況下，輸出可達(dá)到輸入電壓的兩倍。

常用的兩種驅(qū)動(dòng)方式

02

2.1、通過(guò)驅(qū)動(dòng)IC驅(qū)動(dòng)

如圖2-1所示，是半橋電路中的高壓驅(qū)動(dòng)電路：

圖2-1 半橋驅(qū)動(dòng)電路

圖2-1中，自舉電路給一只電容器充電，電容器上的電壓基于高端輸出晶體管源極電壓上下浮動(dòng)。VCC通過(guò)自舉二極管D對(duì)自舉電容C2充電使其接近VCC電壓。當(dāng)Q2關(guān)斷時(shí)，VS端的電壓就會(huì)升高，由于電容兩端的電壓不能突變，因此VB端的電平接近VS和VCC兩端電壓之后，而VB和VS之間的電壓還是接近VCC電壓。當(dāng)Q2開(kāi)通時(shí)，C2作為一個(gè)浮動(dòng)的電壓源驅(qū)動(dòng)Q2；而C2再Q(mào)2開(kāi)通期間損失的電荷在下一個(gè)周期又會(huì)得到補(bǔ)充，這種自舉供電方式就是利用VS端的電平在高低電平之間不停地?cái)[動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

其中驅(qū)動(dòng)IC的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖一般如圖2-2所示：

圖2-2 驅(qū)動(dòng)IC內(nèi)部原理結(jié)構(gòu)圖

圖2-2中C的引腳V B 、VS為高壓供電引腳，HO為高壓端驅(qū)動(dòng)輸出引腳，VCC、COM為底壓端供電；LO為底壓端驅(qū)動(dòng)輸出引腳，VSS為數(shù)字電路供電引腳。此半橋電路的上下橋臂是交替導(dǎo)通的，每當(dāng)下橋臂開(kāi)通，上橋臂關(guān)斷時(shí)，VS腳的電位為下橋臂功率管Q2的飽和導(dǎo)通壓降，基本上接近地電位。

2.2、通過(guò)分立元件驅(qū)動(dòng)

使用分立元件搭建MOS驅(qū)動(dòng)電路如圖2-3所示：

圖2-3 分立元件MOS驅(qū)動(dòng)電路

如圖2-3所示，這是用三極管、二極管、電阻、電容分立元件搭建的MOS驅(qū)動(dòng)電路。分析情況如下：

當(dāng)VH為高電平，Q4就會(huì)導(dǎo)通是的Q1的基極為低電平，同時(shí)使得Q1導(dǎo)通，VCC-10V電壓通過(guò)二極管D1、三極管Q1、二極管D2、電阻R1驅(qū)動(dòng)MOS管Q2的G極；

當(dāng)VH為低電平，Q4就不會(huì)導(dǎo)通，所以Q1的基極沒(méi)有電流流過(guò)也處于截止?fàn)顟B(tài)，所以VCC-10V電壓不會(huì)通過(guò)三極管Q1，那么沒(méi)有電壓驅(qū)動(dòng)MOS管Q2的G極，由于MOS管Q2內(nèi)部寄生電容和電容C2的存在，G極處存在累計(jì)電荷，要通過(guò)三極管Q3和電阻R5釋放掉；

當(dāng)VL為低電平，Q7基極有電流流過(guò)，所以Q5的集電極和發(fā)射極導(dǎo)通，導(dǎo)致Q5基極也流過(guò)電流，所以VCC-10V電壓通過(guò)三極管Q5、二極管D3、電阻R7對(duì)MOS管的G極進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；

當(dāng)VL為高電平，Q7基極無(wú)電流流過(guò)，所以三極管Q7不會(huì)導(dǎo)通，那么導(dǎo)致Q5的發(fā)射極和基極處于等電位，Q5的基極也無(wú)電流流過(guò)，Q5也處于截止?fàn)顟B(tài)，同理三極管Q8和電阻R12組成放電電路對(duì)G極電荷進(jìn)行放電。

其中自舉電容作用如下：

這里面有個(gè)元件可能剛上手分析的時(shí)候，弄不懂作用，是哪個(gè)呢？是電容C1。由于電容上的電壓不能突變，這里利用電容這個(gè)特性來(lái)更好的驅(qū)動(dòng)MOS管的G極，這里你肯定有所疑問(wèn)，那么沒(méi)有這個(gè)電容就不能驅(qū)動(dòng)嗎？答案：不能。

在分析電容C1的作用時(shí)，首先需要明白，MOS管導(dǎo)通的條件是：

G極對(duì)地電壓還是GS之間的電壓差？

由于MOS驅(qū)動(dòng)是G極電壓和S極電壓的電位差，所以當(dāng)MOS管導(dǎo)通時(shí)，VAAA電壓直接加到MOS管的S極，（這里假設(shè)VAAA電壓為12V，G極對(duì)地驅(qū)動(dòng)電壓為10V）所以MOS管的GS電壓差為：10V-12V=-2V，由于GS之間為負(fù)電壓，對(duì)于N溝道的MOS管，會(huì)導(dǎo)致DS之間處于截止?fàn)顟B(tài)，所以需要一個(gè)電壓來(lái)抬高G極之間的電壓，當(dāng)然有種方法是直接用高電壓電源直接驅(qū)動(dòng)G極，但是通過(guò)MOS管的G極耐壓都是非常有限的，那么這個(gè)時(shí)候電容的作用就體現(xiàn)出來(lái)了，當(dāng)MOS管導(dǎo)通會(huì)使得S極電壓為VAAA，由于電容的一端與MOS的S極連接，所以這一端電容電壓瞬間為VAAA，由于電容上電壓不能突變的特性，使得電容另一端電壓也增加了VAAA，所以電容另一端的電壓約等于VAAA+VCC-10V，如圖2-4所示，這里用了二極管D1來(lái)隔離電容C1上電壓和VCC-10V，這樣的做法使得MOS管導(dǎo)通后，G極驅(qū)動(dòng)電壓克服了S極電壓抬高的原因。

圖2-4 驅(qū)動(dòng)電路中自舉電容電壓的變化

自舉電容的選擇與電路仿真

03

3.1、自舉電容的選擇

IGBT和POWER MOSFET 具有相似的門極特性。開(kāi)通時(shí)，需要在極短的時(shí)間內(nèi)向門極提高足夠的柵極電荷，在自舉電容的充電路徑上，分布電感影響了充電的速率。下橋臂功率管的最窄導(dǎo)通時(shí)間應(yīng)保證自舉電容有足夠的電荷，以滿足柵極所需要的電荷量再加上功率器件穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通時(shí)漏電流所失去的電荷量。因此，從最窄導(dǎo)通時(shí)間為最小值考慮，自舉電容應(yīng)該足夠小。綜上所述，在選擇自舉電容大小時(shí)應(yīng)考慮，既不能太大影響窄脈沖性能，也不能太小影響寬脈沖的驅(qū)動(dòng)要求，應(yīng)該從功率器件的功率頻率、開(kāi)關(guān)速度、門極特性等方面進(jìn)行選擇，估算后調(diào)試而定。

假設(shè)上下橋臂MOSFET為Q1和Q2，在Q1關(guān)閉，Q2導(dǎo)通時(shí)，VCC通過(guò)二極管D對(duì)自舉電容C進(jìn)行充電，為了保證對(duì)Q1的完全導(dǎo)通，就必須要保證自舉電容C上的電壓跌落滿足：

式（1.4）參數(shù)說(shuō)明：

VCC：驅(qū)動(dòng)電源

VF：二極管正向?qū)妷?/p>

VGS(min)：為保證MOSFET飽和導(dǎo)通的最小柵源極電壓

VDS(on):為下管Q2飽和導(dǎo)通時(shí)流過(guò)的電流在導(dǎo)通電阻上的最大壓降

而引起自舉電容上電壓降低的因素主要包括：

1、上管Q1開(kāi)通所需要的電荷QC

2、上管Q1柵源極的漏電流IIK_GS

3、高壓驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部懸浮電路所需要的靜態(tài)電流IQBS

4、芯片內(nèi)部懸浮端電路在承受高壓時(shí)對(duì)地的漏電流ILK

5、二極管D在承受反向高壓時(shí)的漏電流ILK_DIODE

6、自舉電容的漏電流ILK_CAP

7、上管Q1的開(kāi)通時(shí)間THON

于是可以得到總的電荷數(shù)：

式（1.5）中參數(shù)太多，實(shí)際應(yīng)用中電路的各個(gè)參數(shù)也不是標(biāo)準(zhǔn)的，所以可以根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)擴(kuò)大柵極電荷：

式（1.6 ）中10****表示擴(kuò)大的裕量倍數(shù)。

同時(shí)由式（1.6）和式（1.4）可以得到自舉電容的最小值為：

3.2、自舉電容的選擇

搭建仿真電路如圖3-1所示：

圖3-1 MOS驅(qū)動(dòng)電路

圖3-1中自舉電容是C1。

由于在Multisim中不知道IRF840的柵極總電荷量參數(shù)，所以可以適當(dāng)調(diào)整參數(shù)然后測(cè)自舉電容的電荷量變化即可知道所需電荷量，因此可以設(shè)置自舉電容為100NF，其電容兩端電壓波形如圖3-2所示：

圖3-2 自舉電容電壓變化波形

圖3-2中可得自舉電容電壓變化量為V=7.479V，所以MOS管IRF840需求的電荷量為：

所以如果要使得自舉電容上電壓變化量為：V BS(min) =0.1V，其所需要的電容量至少為：

將算的值代入，可得自舉電容兩端電壓波形如圖3-3所示：

圖3-3 自舉電容兩端電壓波形

由圖3-3可知，電容兩端電壓最大值和最低值相差為119.486mV，與實(shí)際設(shè)置值相差不大，所以也驗(yàn)證了3.1中電容選擇的正確性。