自舉電路中自舉電容的選取

自舉電路是一種利用電容器的儲能特性來提升電路中某一點的電壓，從而實現(xiàn)高增益或高輸入阻抗的電路技術。自舉電路在放大電路中有著重要的作用，尤其是在需要高輸入阻抗和高電壓增益的應用中。以下是對自舉電路及其在放大電路中作用的詳盡分析。

自舉電路通過使用電容器在電源電壓和電路工作電壓之間創(chuàng)建一個虛擬的增益級，從而在沒有實際增益元件的情況下提升電路的輸入電壓。這種技術可以有效地增加放大器的輸入阻抗，同時減少所需的直流電源電壓。

自舉電路的工作原理基于電容器在交流信號中的行為。在直流條件下，電容器表現(xiàn)為開路，而在交流條件下，電容器可以充電和放電，表現(xiàn)出低阻抗的特性。自舉電路利用這一特性，在交流信號作用下，通過電容器將一部分能量存儲起來，并在需要時釋放，以提升電路的某一點電壓。

1.提高輸入阻抗 ：自舉電路可以顯著提高放大電路的輸入阻抗，這對于與高阻抗信號源的接口非常重要，可以減少信號源的負載效應。

2.增加電壓增益 ：通過自舉技術，放大電路可以在不增加電源電壓的情況下，實現(xiàn)較高的電壓增益。

3.改善穩(wěn)定性 ：自舉電路可以減少放大電路的穩(wěn)定性問題，因為它減少了電路對電源電壓變化的敏感性。

4.減少電源需求 ：自舉電路允許使用較低的電源電壓實現(xiàn)高電壓增益，從而降低了對電源的要求。

5.信號調理 ：自舉電路常用于信號調理，如提升信號電平，以滿足后續(xù)電路的輸入要求。

1.電容選擇 ：自舉電容的選擇需要考慮其在交流信號頻率下的充放電速率，以及其對電路總體性能的影響。

2.穩(wěn)定性分析 ：設計自舉電路時，需要進行穩(wěn)定性分析，確保電路在整個工作頻率范圍內都能穩(wěn)定工作。

3.電源管理 ：自舉電路可能會對電源造成額外的負載，設計時需要考慮電源的穩(wěn)定性和管理。

4.信號頻率 ：自舉電路的效率和性能與信號頻率有關，設計時需要考慮信號的頻率范圍。

5.電路布局 ：電路布局對自舉電路的性能至關重要，需要考慮布線、接地和屏蔽等因素。

1.運算放大器 ：在運算放大器電路中，自舉電路可以用于提高增益和輸入阻抗。

2.傳感器信號調理 ：在傳感器信號調理電路中，自舉電路可以用于提升微弱信號的電平。

3.射頻放大器 ：在射頻放大器中，自舉電路可以用于實現(xiàn)高增益和高阻抗的匹配。

4.電源管理 ：在電源管理電路中，自舉電路可以用于提升電壓，以滿足特定電路的電源需求。

自舉電路是一種有效的電路技術，可以在不增加電源電壓的情況下提高放大電路的輸入阻抗和電壓增益。它在運算放大器、傳感器信號調理、射頻放大器和電源管理等領域有著廣泛的應用。

自舉電路也有一些局限性，有些應用如電機驅動的電機長期工作在低轉速大電流場合，下管的開通占空比一直比較小，造成上管的自舉充電不夠，這種情況需要在PWM算法上做特定占空比補償或者獨立電源供應。在一些低成本的應用中，特別是對于一些600V小功率的IGBT，業(yè)界總是嘗試把驅動級成本降到最低。因而自舉式電源成為一種廣泛的給高壓柵極驅動(HVIC)電路供電的方法，原因是電路簡單并且成本低。

自舉電路的工作原理

如下圖自舉電路僅僅需要一個15~18V的電源來給逆變器的驅動級提供能量，所有半橋底部IGBT都與這個電源直接相連，半橋上部IGBT的驅動器通過電阻Rboot和二極管VF連接到電源Vb上，每個驅動器都有一個電容Cboot來緩沖電壓;

當下管S2開通使Vs降低到電源電壓Vcc以下時，Vcc通過自舉二極管和自舉電阻Rboot對自舉電容Cboot進行充電，在自舉電容兩端產(chǎn)生Vbs懸浮電壓，支持HO相對Vs的開關。隨著上管S1開關，Vs高壓時自舉二極管處于反偏，Vbs和電源Vcc被隔離開。

自舉電容的選取

當下管S2導通，Vs電壓低于電源電壓(Vcc)時自舉電容(Cboot)每次都被充電。自舉電容僅當高端開關S1導通的時候放電。自舉電容給高端電路提供電源(VBS)。首先要考慮的參數(shù)是高端開關處于導通時，自舉電容的最大電壓降。允許的最大電壓降(Vbs)取決于要保持的最小柵極驅動電壓。如果VGSMIN最小的柵-源極電壓，電容的電壓降必須是:

其中：

Vcc=驅動芯片的電源電壓;

VF=自舉二極管正向壓降;

Vrboot=自舉電阻兩端的壓降;

Vcesat=下管S2的導通壓降

計算自舉電容為：

其中：

QTOT是電容器的電荷總量。

自舉電容的電荷總量通過等式4計算：

下表是以IR2106+IKP15N65H5(18A@ 125°C)為例子計算自舉電容推薦。推薦電容值必須根據(jù)使用的器件和應用條件來選擇。如果電容過小，自舉電容在上管開通時下降紋波過大，降低電容的使用壽命，開關管損耗變高，開關可靠性也變低;如果電容值過大，自舉電容的充電時間減少，低端導通時間可能不足以使電容達到自舉電壓。

選擇自舉電阻

自舉電阻的作用主要是防止首次對自舉電容充電時電流太大的限流，英飛凌的驅動芯片一般已經(jīng)把自舉二極管和電阻內置，不需要額外考慮電阻的選取。這里只是給大家分析原理，當使用外部自舉電阻時，電阻RBOOT帶來一個額外的電壓降：

其中：

ICHARGE=自舉電容的充電電流;

RBOOT=自舉電阻;

tCHARGE=自舉電容的充電時間(下管導通時間)

該電阻值(一般5~15Ω)不能太大，否則會增加VBS時間常數(shù)。當計算最大允許的電壓降(VBOOT )時，必須考慮自舉二極管的電壓降。如果該電壓降太大或電路不能提供足夠的充電時間，我們可以使用一個快速恢復或超快恢復二極管。