自举电容初始化启动和充电受限问题分析

自举电路 

说起自举电路估计离不开mos管，先来了解一下MOS管，MOS有N沟道和P沟道之分。对于N沟道的MOS管，导通时需要Ugs>Ugs(th),P沟道则相反，Ugs

P沟道                                  N沟道

当我们用两个N-MOS管控制电机的一相时，这样便有上管和下管之分，上下管不能同时导通，否则就会爆管。见下图，图中的VS是浮动的，如果上管导通，VS的电压会非常接近VP，为啥会说是接近而不是相等呢？那是因为MOS管存在压降，还有一些原因也会导致VP不等VS。如果下管导通，VS则会接近VN。上文已经说N-MOS导通的条件了，现在我们看看假如U1导通，VS电压慢慢趋近与VP，当两者的压差不足以使MOS导通会出现啥情况，会不会出现一会开启一会关断的情况。这样的结果肯定不是我们需要的，那我们需要怎么做才能使MOS管导通，这下就接入我们的主题之一了，自举电路。假如驱动MOS管的电压为15V左右，那如果要让U1一直导通就需要HO-VS>=15V，才能正常驱动MOS管，如何维持这个电压呢，这就需要自举电容和自举二极管了。

分析如下

下管U2导通，自举电容C1通过自举二极管D1被电源电压瞬间充电，上管U1导通，自举电容给上管供电。二极管的作用是在上管导通时防止电容放电损坏VCC。电路的原理就是这样。

自举电容进行初始化启动和充电受限的问题 

启动时，在某些条件下，自举二极管D1可能处于反偏，上管U1的导通时间不足，自举电容不能保持所需要的电荷。这样就可能导致上管不能正常导通，我们在每次启动之前可以先让下管导通，让电容充电到VCC。

VS端产生负压问题

上管断开的时候，线圈L1会产生感应电动势，线圈中的电流会阻止电流的降低，于是瞬间切换到下管的体二极管上续流。由于寄生电感Ls1，Ls2的的存在，VS会感应出负压，这个值VS=-Ls*di/dt，幅值的大小取决于寄生电感Ls。

如果VS幅值过大，又会产生三个问题
①自举电容C1过压
C1的压降等于VCC-VS，VS为负压，相当于负压越大，C1两端承受的压差越大。

②当这个负压超过驱动芯片的极限电压，芯片也会损坏。

③上管Q1的Vgs=Vg-Vs，因为此时上管关断，所以Vg=0，也就代表着Vgs的幅值等于VS的绝对值，当这个值超过MOS管的门限阈值电压，上管就会导通，这时上下管同时导通，管子就会炸裂。 

在D1前面串联一个电阻R3，取值不能太大，一般取1-3Ω，用来限制自举电容C1的充电电流，防止充电时电流过大，损坏C1同时可缓解VS端负压造成的影响。

自举电容C1并联一个稳压二极管，防止MOS管产生的浪涌电流损坏C1，同时让电容两端电压更稳定。

在下管U2的ds之间并联一个低压降的肖特基二极管D3。当上管关断时，VS产生的负压就会被D3钳位，一般管压降为0.7V。当VN为地时，VS被限制在-0.7V。

在自举电容计算之前先补习一下基本的知识点

电荷量公式

Q=It(其中I是电流，单位A，t是时间，单位s)

Q=ne(其中n为整数，e指元电荷，e=1.6021892×10^-19库仑)

Q=CU (其中C指电容，U指电压)

自举电容的选取

当下管S2导通，Vs电压低于电源电压(Vcc)时自举电容(Cboot)每次都被充电。自举电容仅当高端开关S1导通的时候放电。自举电容给高端电路提供电源(VBS)。首先要考虑的参数是高端开关处于导通时，自举电容的最大电压降。允许的最大电压降(Vbs)取决于要保持的最小栅极驱动电压。如果VGSMIN最小的栅-源极电压，电容的电压降必须是:

其中：

Vcc=驱动芯片的电源电压；

VF=自举二极管正向压降；

Vrboot=自举电阻两端的压降；

Vcesat=下管S2的导通压降

计算自举电容为：

其中：

QTOT是电容器的电荷总量。

自举电容的电荷总量通过等式4计算：

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

下表是以IR2106+IKP15N65H5(18A@125°C)为例子计算自举电容推荐：

推荐电容值必须根据使用的器件和应用条件来选择。如果电容过小，自举电容在上管开通时下降纹波过大，降低电容的使用寿命，开关管损耗变高，开关可靠性也变低；如果电容值过大，自举电容的充电时间减少，低端导通时间可能不足以使电容达到自举电压。

选择自举电阻

自举电阻的作用主要是防止首次对自举电容充电时电流太大的限流，英飞凌的驱动芯片一般已经把自举二极管和电阻内置，不需要额外考虑电阻的选取。这里只是给大家分析原理，当使用外部自举电阻时，电阻RBOOT带来一个额外的电压降：

其中：

ICHARGE=自举电容的充电电流；

RBOOT=自举电阻；

tCHARGE=自举电容的充电时间(下管导通时间)

该电阻值（一般5~15Ω）不能太大，否则会增加VBS时间常数。当计算最大允许的电压降(VBOOT )时，必须考虑自举二极管的电压降。如果该电压降太大或电路不能提供足够的充电时间，我们可以使用一个快速恢复或超快恢复二极管。

实际选择时我们可能考虑更多的是自举电阻太小限制：

1. 充电电流过大在小功率输出应用触发采样电阻过流保护

2. 过小的自举电阻可能会造成更高的dVbs/dt,从而产生更高的Vs负压，关于Vs负压的危害我们会在后面继续讨论。

3. 充电电流过大容易导致充电阶段Vcc电压过低，造成欠压保护。

4. 容易造成自举二极管过流损坏。

自举电路设计要点

为了保证自举电路能够正常工作，需要注意很多问题：

1. 开始工作后，总是先导通半桥的下桥臂IGBT，这样自举电容能够被重新充电到供电电源的额定值。否则可能会导致不受控制的开关状态和/或错误产生。

2. 自举电容Cboot的容量必须足够大，这样可以在一个完整的工作循环内满足上桥臂驱动器的能量要求。找元器件现货上唯样商城

3. 自举电容的电压不能低于最小值，否则就会出现欠压闭锁保护。

4. 最初给自举电容充电时，可能出现很大的峰值电流。这可能会干扰其他电路，因此建议用低阻抗的自举电阻限流。

5. 一方面，自举二极管必须快，因为它的工作频率和IGBT是一样的，另一方面，它必须有足够大的阻断电压，至少和IGBT的阻断电压一样大。这就意味着600V的IGBT，必须选择600V的自举二极管。

6. 当选择驱动电源Vcc电压时，必须考虑驱动器内部电压降及自举二极管和自举电阻的压降，以防止IGBT栅极电压不会太低而导致开通损耗增加。更进一步，所确定的电压必须减去下管IGBT的饱和压降，这样导致上下管IGBT在不同的正向栅极电压下开通，因此Vcc应当保证上管有足够的栅极电压，同时保证下管的栅极电压不会变的太高。

7. 用自举电路来提供负压的做法是不常见的，如此一来，就必须注意IGBT的寄生导通。

最后，自举电路也有一些局限性，有些应用如电机驱动的电机长期工作在低转速大电流场合，下管的开通占空比一直比较小，造成上管的自举充电不够，这种情况需要在PWM算法上做特定占空比补偿或者独立电源供应。

审核编辑：黄飞