作者：陳子穎，鄭姿清；

驅動電路設計是功率半導體應用的難點，涉及到功率半導體的動態過程控制及器件的保護，實踐性很強。為了方便實現可靠的驅動設計，英飛凌的驅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用這些功能。

自舉電路在電平位移驅動電路應用很廣泛，電路非常簡單，成本低，而且有很多實際案例可以抄作業，不過，由于系統往往存在特殊或極端工況，如設計不當調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，這時候就出現了系統故障，嚴重時會損壞系統。所以英飛凌在相關的數據手冊和應用指南中有詳細設計指導和工況分析，分析了電壓紋波，啟動過程的階躍響應和三相空間矢量（或三相正弦波+3次諧波）調制的情況。

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之前，需要復習前兩篇提到的一些基礎知識，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）。


圖1. 自舉電路的等效電路

自舉等效電路簡化了V_BS即自舉電容器C_boot上的電壓特性作為模擬調制開關S1開關狀態函數的計算，也簡化其與占空比（D=占空比=T_(ON)/T≡1-D）、柵極電荷Q_G、漏電流I_leak以及自舉電阻R_boot和自舉電容C_boot的計算。

V_BSMAX代表電源電壓、加上或減去自舉電路的靜態電壓降。

自舉電壓紋波和平均值

研究自舉電路動態過程的最好方法是仿真，下面舉一個數值的案例做些分析：

設計條件

Q_G=40nC, f=1/T_S=20kHz，
I_leak=200μA, R_boot=220Ώ

圖2顯示了不同自舉電容在10%的占空比時的效果，不難發現電容值的大小只影響V_BS紋波（平均值保持不變）。而圖3所示為C_boot等于47nF和1µF（預充電到V_BSMAX=15V），占空比等于D_MIN=10%或30%時的仿真結果。

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


圖2. 紋波與自舉電容

自舉電路的時間常數

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


通過占空比與系統階躍響應之間的關系，我們可以了解到，占空比越小，時間常數(τ)越大，因此響應越慢，建立平均電壓時間長，如紅色曲線，而占空比越高，響應越快，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，電容小則時間短，可以比較粉紅色和綠色的平均電壓建立過程曲線。


圖3. 開關的占空比與自舉電容


圖4中顯示了兩種占空比：

1. R_boot=220Ω、C_boot=1µF、D=10%，紅色曲線；


2. R_boot=220Ω、C_boot=1µF、D=30%，粉紅色曲線；


看到占空比是10%時，時間常數是2.2ms，當占空比提高到30%時，時間常數只有733μs.

按照上一篇文章的穩態討論結論：

Q_TOT=Q_G+I_leak*T_OFF=QG+I_leak*(1-D)*T_S，

Q_TOT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。

自舉電壓與基波的關系

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濾波器。以正弦調制加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次諧波調制的PWM信號被送到電路中（T_S=50µs，頻率=f_e）。

圖4顯示了不同輸出頻率下的預期（計算值）V_BS。占空比用角度表示（等于2πfe，其中f_e為輸出頻率）的函數（正弦+3次諧波），該角度從0°到360°。


圖4. 不同輸出頻率下的V_BS

系統的不同輸出頻率也會影響自舉電壓值，即不同f_e得到的V_BS電壓，基波頻率低，自舉電壓紋波就大。黃色曲線V_BS(DC)代表使用前面提到的靜態方程時得到的曲線，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）調制的情況。其他類型的調制時的工況需要另外分析。

結論：

自舉電源的電壓會比驅動電路的供電電源電壓V_CC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由占空比、自舉電容和電阻決定；

自舉電容器大，V_BS紋波小（平均值保持不變）；

輸出基波頻率低，自舉紋波大，靜態計算結果嚴酷；