逆变器中自举电路设计要点及其取值分析

自举电路的构成主要有自举电容，自举二极管，自举电阻，主要由这三个主要元件构成。自举电容负责给高端驱动电路供电，即IGBT门极驱动电压VGE，自举二极管主要防止高侧驱动电压冲击前端电路，造成损坏，自举电阻主要为限制自举电容的充电电流，防止电流过大导致dv/dt过大而导致电容损坏，以及自举二极管的损坏等。原理图如下图一所示。

图一 自举电路原理图

图二 驱动电路图

图三 模块内部电路图

自举电容的选取

计算自举电容公式：

QTOT是开通时间内消耗的电荷总量

ΔVbs为开通时间内电容的最大电压降，同时属于电容两端的纹波

自举电容仅当高端开关导通的时候放电。自举电容给高端电路提供电源。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。

其中：

VDR=自举充电电压

VF=自举二极管正向管压降（1V）

VRboot=自举电阻两端压降(可忽略)

VGEMIN=最小栅-射极电压(7V)

VCESAT(S2)=下管S2的导通压降，数据手册给出的参考值，其值与输出的电流关系密切（ IC=15A,VGE=15V时，1.5V）。

β为盈余因数，可取1至10；

QG=门极电荷（β取10，,数据手册QG=0.1uC）

ILKCAP=电容漏电流(250uA)CVK

ILKGE=IGBT栅极-发射极漏电流(0.1uA，可忽略)

IQBS=自举电路静态电流(200uA)

ILK=自举电路漏电流(250uA)

ILKDIODE=自举二极管漏电流(max100uA，取中值50uA)

TON=上桥最大开通时间（假设载频500Hz，占空比约100%，值为2ms）

QTOT≈2.5uC，ΔVbs=0.1V

CBOOTmin=25uf

电容充电公式：Vt = V0 + (Vu – V0) * [1 – exp( -t/RC)]，

从0V充至14.85V(即99%充电电压)，R=30Ω，C=100uf，电容两端充电电压Vu=15V，t=13.8ms。（预充电时间）

电容两端充电电压Vu=15V，R=30，C=100Uf，电容的初始电压为V0=14.075V，充至14.1V所需时间为83.4us。

由此可知，当上桥开通满占空比时，即2ms，下桥只需开通83.4微秒就可补偿其上桥最大开通时间的电压值。

假设电容值为1000uf，其消耗的电荷量会更加大，即QTOT增大，ΔVbs

会比理论值大，主要原因有其因电容制作工艺的影响，电容的容值越大，其漏电流越大，其次容值越大，也会影响整个自举电路的漏电流。

1. 电容值太大将会导致较长的启动延长时间。
   
2. 电容值太大会导致充放电不平衡问题，可能导致平衡电压低，或者在长时间运行过程中电容的自举电压会衰减至导通电压以下。
   
3. 可以取计算值的的1倍至10倍范围，实际进行调试后进行确定该取值是否可行。
   
4. 电容本身存在容值误差。
   

选择自举电阻

实际选择时我们可能考虑更多的是自举电阻太小限制：

基于对二极管最大正向电流考虑，为自举二极管最大正向电流，如使用的二极管为1A，即最小的阻值为15V/1A=15Ω。

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、充电电流过大容易导致充电阶段VDR带载过大，造成过载保护。

3、容易造成自举二极管过流损坏。

4、造成过高的dv/dt，造成瞬时电压过高超过电容的耐压值，造成电容损坏。

I=Cdvdt

5、其值太大会导致充电不平衡问题。

自举二极管

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。自举二极管需要选择快恢复二极管，且其反向耐压值应为540V+15V以上，考虑到电网的波动，可以选择耐压余量多点的，如选择US1M，其耐压值为1000V，恢复时间为75ns。

附录