高压IPD中的自举电路是什么?

自举电路是一种用于驱动全桥电路、半桥电路等拓扑结构中高侧(上桥臂)开关器件栅极的驱动电路。该电路由自举二极管和自举电容组成,两者共同产生高侧器件正常工作所需的栅极驱动电压。

图1.IGBT驱动自举电路示例:由二极管、电阻和电容器组成,展示了高压是如何产生的。
图1.IGBT驱动自举电路示例

图1示出了桥式电路一个桥臂的自举电路(由一对高侧器件和低侧器件组成)。
N沟道IGBT(或MOSFET)通过在栅极与发射极(或栅极与源极)之间施加约10V至15V的电压进行驱动。然而,高侧器件的发射极(或源极)电位并非固定不变,其电压会随电路工作状态而变化。例如,当高侧器件导通时,其集电极与发射极之间的电压降几乎为零,因此发射极(或源极)电位与高压电源电位(桥臂母线电压)基本相同。此外,当高侧器件关断且低侧(下桥臂)开关器件导通时,高侧器件的发射极(或源极)电位将降至GND电位(接地电位)。
为了使高侧IGBT导通,栅极与发射极之间的电位差必须始终保持为所需的栅极驱动电压(10至15V)。换言之,当高侧器件处于导通状态时,所需的栅极驱动电压应等于高压电源电压与栅极-发射极驱动电压(或栅极-源极驱动电压)之和。该电压高于外部施加的电源电压,因此必须通过自举电路产生。

图2.自举操作①:首先,对电容器进行充电。
图2.自举操作①

下面介绍IGBT驱动自举电路的工作原理。

如图2所示,当高侧IGBT Q1处于关断状态、低侧IGBT Q2处于导通状态时,Q1的发射极电位下降至地电位(GND)。在这种状态下,电流沿VCC→二极管DB→自举电容CB→Q2的路径流动,从而对自举电容CB进行充电。
自举电容CB上端的电位被充电至控制电源电压VCC减去二极管DB的正向压降VF后的电压值。同时,由于Q2处于导通状态,CB下端的电位(即Q1的发射极电位)为GND。因此,CB两端的电压VCB为: VCB=VCC-VF

图3.自举操作②: 自举电路的工作原理图。电容的负极电压升至VBB,通过在电容两端维持电压VCB,其正极电压变为VBB + VCB。
图3.自举操作②

此后,当Q2关断时,CB的充电回路被切断(DB也随之截止)。但由于CB中存储的电荷尚未放电,因此CB两端的电压VCB得以保持。此时,Q1仍处于关断状态,其发射极电位为GND。接下来,当需要使Q1导通时,存储在CB中的电荷使电压VCB施加到Q1的栅极上。由于该栅极与发射极之间的电位差VCB足以满足Q1的导通条件,因此Q1被驱动导通。
如图3所示,当Q1导通时,其发射极电位上升至与高压电源VBB相同的电位。即使在这种状态下,CB中储存的电荷仍然保持不变,因此CB两端的电压VCB也得以维持。由于CB下端的电位为VBB,因此其上端电位为VCB+VBB,即高于高压电源电压VBB的电位。由此,Q1的栅极与发射极之间仍可保持VCB的电位差,因此Q1能够持续保持导通状态。

通过这种方式,自举电路能够在不受Q1发射极电位变化影响的情况下,产生使Q1导通所需的栅极电位。
然而,为了给自举电容CB充电,必须存在一段Q1关断且Q2导通的时间。当这段关断时间过短时,CB两端电压VCB可能无法充分建立,导致栅极驱动电压不足。因此,在电路设计时,必须充分考虑这一点。

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