Бутстрепный методе управления силовыми ключами

Атеперь мы поговорим о бутстрепном методе управления силовыми ключами, реализованном в большинстведрайверных микросхем фирмы «International Rectifier». Поможет нам в этом рис. 2.3.10. Итак, заряд, накапливаемый в бутстрепном конденсаторе С_ь, имитирует «плавающий» источник питания, который обеспечивает энергией ту половинудрайвеpa, которая относится к «верхнему» плечу силового транзистора. Посколькудрайвер построен на полевых элементах, суммарная мощность, расходуемая на управление, незначительна и может быть быстро пополнена из источника питания. В динамическом режиме работы «плавающий» источник заменяется конденсатором соответствующей емкости, подзаряжающимся от источника питания драйвера.

Когдатранзистор «нижнего» плеча проводитток, истоктранзистора «верхнего» плеча оказывается замкнутым на «общий» провод, и бутстрепный диод VD_b, открываясь, заряжает конденсатор С_ь (рис. 2.3.11, а).

Рис. 2.3.11. Пояснение работы бутстрепного каскада

Далее, когда транзистор «нижнего» плеча закрывается и начинает открываться транзистор «верхнего» плеча, диод VD_b оказывается подпертым потенциалом питания силовой схемы, и схема управления «верхним» плечом питается исключительно разрядным током конденсатора С_ь (рис. 2.3.11 б). Таким образом, бутстрепный конденсатор постоянно «гуляет» между «общим» схемы и проводником силового питания U_m.

Величина бутстрепной емкости должна быть выбрана расчетным путем. Слишком маленькая емкость может разрядиться раньше времени и закрыть транзистор «верхнего» плеча. Слишком большая емкость может не успевать заряжаться. Основные факторы, влияющие на разряд бутстрепной емкости: величина заряда затвора силового транзистора Q_g, ток потребления выходного каскададрайвера в статическом режиме I_qbs, циклическое изменение заряда драйвера Q_IS (составляет 5 нКл для 600-вольтовыхдрайверов и 20 нКл для 1200-вольтовых), ток утечки затвора I_gss, ток утечки I_cbs бутстрепного конденсатора С_ь. Минимальный заряд бутстрепного конденсатора определяется из выражения:

Разработчики рекомендуют применять в бутстрепных схемах конденсаторы с возможно малым током утечки (идеальный вариант — танталовые конденсаторы). Кроме того, величина тока утечки затвора мала, поэтому перечисленные факторы учитывать нет смысла — их вклад минимален. С учетом выражения (2.3.1) мы можем записать расчетную формулу для определения емкости бутстрепного конденсатора:

где U^ — напряжение питания схемы управления;

Uf — падение напряжения на бутстрепном диоде (типовое значение — 0,8…1,0 В);

Полученное значение бутстрепной емкости является минимальным. Чтобы минимизировать риск от ненадежной работы схемы, разработчики рекомендуют умножить полученный результат на коэффициент 10…15.

Бутстрепный диод должен выдерживать обратное напряжение не менее, чем (i7_in+ £^_сс). Кроме того, он должен иметь возможно меньший обратный ток и хорошие характеристики обратного восстановления. Рекомендуемое время обратного восстановления бутстрепного диода не должно превышать 100 нс.

Источник: Семенов Б. Ю. Силовая электроника: профессиональные решения. — М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2011. — 416 c.: ил.

Источник

Выбор бустрепных компонентов для управляющих ИС

1. Работа бустрепного контура

Напряжение VBS (разность напряжений на выводах Vb и Vs управляющих ИС) обеспечивает питание контура драйвера верхнего уровня управляющих ИС.

Некоторые из управляющих ИС International Rectifier включают схемы детектирования пониженного напряжения VBS для гарантирования того, что ИС не запустит МОП ПТ, если напряжение VBS упадет ниже определенного уровня ( значение VBSUV в справочных листах). Это предотвратит работу МОП ПТ в режиме рассеяния большой мощности.

Это напряжение питания VBS является плавающим напряжением, привязанным к верхнему уровню напряжения VS (которое в большинстве случаев имеет форму высокочастотных прямоугольных импульсов).

Бустрепный источник питания формируется комбинацией диода и конденсатора ( как показано на рис.1).

Рис. 1. Бустрепный контур диод/конденсатор для управляющих ИС фирмы IR

Схема работает следующим образом. Когда VS понижается до потенциала земли (из-за МОП ПТ нижнего уровня или вследствие нагрузки, в зависимости от конфигурации схемы) бустрепный конденсатор (Cbs) заряжается через бустрепный диод (DBS) от источника питания 15 В (VCC). Таким образом обеспечивается требуемая величина VBS.

2. Факторы влияющие на бустрепный источник питания

Существует пять влияющих факторов определяющих требования по питанию от СBS конденсатора.

Фактор 5 относится только к случаю, когда конденсатор является электролитическим и может быть проигнорирован при использовании других типов конденсаторов. Поэтому всегда лучше по возможности использовать не электролитический конденсатор.

3.Расчет номинала бустрепного конденсатора

Следующее уравнение опеределяет минимальный заряд, необходимый для питания бустрепного конденсатора:

Бустрепный конденсатор должен быть в состоянии обеспечить этот заряд и сохранить свое полное напряжение, иначе будут наблюдаться значительные пульсации напряжения Vbs, которое может упасть ниже порога срабатывания Vbsuv, что приведет к прекращению управления через выход НО.

Поэтому, заряд конденсатора должен Cbs должен минимум вдвое превышать значение, полученное из уравнения (1). Минимальное значение емкости конденсатора может быть рассчитано из уравнения (2):

Поэтому, для того, чтобы свести к минимуму риск перезаряда, а также уменьшить пульсации напряжения Vbs, значение Cbs, полученное из уравнения (2), следует умножить на 15 (чисто практический метод).

4. Выбор бустрепного диода

Характеристики диода:

5. Советы по топологии контура

Бустрепный конденсатор должен быть всегда размещен как можно ближе к выводам ИС (как показано на рисунке 2):

Рис.2. Рекомендуемая схема расположения бустрепных компонентов

Наконец для обеспечения хорошей локальной развязки должен быть использован по меньшей мере один конденсатор ESR (эквивалентного последовательного сопротивления) с низкими значениями емкости и других параметров, например, если в качестве бустрепного конденсатора используется алюминиевый электролитический конденсатор, то вблизи выводов ИС должен находиться отдельный керамический конденсатор.

Если же в качестве бустрепного конденсатора используется керамический или танталовый конденсатор, то этого уже само по себе достаточно для локальной развязки.

Источник

Выбор бустрепных компонентов для управляющих ИС

1. Работа бустрепного контура

Напряжение VBS (разность напряжений на выводах Vb и Vs управляющих ИС) обеспечивает питание контура драйвера верхнего уровня управляющих ИС.

Некоторые из управляющих ИС International Rectifier включают схемы детектирования пониженного напряжения VBS для гарантирования того, что ИС не запустит МОП ПТ, если напряжение VBS упадет ниже определенного уровня ( значение VBSUV в справочных листах). Это предотвратит работу МОП ПТ в режиме рассеяния большой мощности.

Это напряжение питания VBS является плавающим напряжением, привязанным к верхнему уровню напряжения VS (которое в большинстве случаев имеет форму высокочастотных прямоугольных импульсов).

Бустрепный источник питания формируется комбинацией диода и конденсатора ( как показано на рис.1).

Рис. 1. Бустрепный контур диод/конденсатор для управляющих ИС фирмы IR

Схема работает следующим образом. Когда VS понижается до потенциала земли (из-за МОП ПТ нижнего уровня или вследствие нагрузки, в зависимости от конфигурации схемы) бустрепный конденсатор (Cbs) заряжается через бустрепный диод (DBS) от источника питания 15 В (VCC). Таким образом обеспечивается требуемая величина VBS.

2. Факторы влияющие на бустрепный источник питания

Существует пять влияющих факторов определяющих требования по питанию от СBS конденсатора.

Фактор 5 относится только к случаю, когда конденсатор является электролитическим и может быть проигнорирован при использовании других типов конденсаторов. Поэтому всегда лучше по возможности использовать не электролитический конденсатор.

3.Расчет номинала бустрепного конденсатора

Следующее уравнение опеределяет минимальный заряд, необходимый для питания бустрепного конденсатора:

Бустрепный конденсатор должен быть в состоянии обеспечить этот заряд и сохранить свое полное напряжение, иначе будут наблюдаться значительные пульсации напряжения Vbs, которое может упасть ниже порога срабатывания Vbsuv, что приведет к прекращению управления через выход НО.

Поэтому, заряд конденсатора должен Cbs должен минимум вдвое превышать значение, полученное из уравнения (1). Минимальное значение емкости конденсатора может быть рассчитано из уравнения (2):

Поэтому, для того, чтобы свести к минимуму риск перезаряда, а также уменьшить пульсации напряжения Vbs, значение Cbs, полученное из уравнения (2), следует умножить на 15 (чисто практический метод).

4. Выбор бустрепного диода

Характеристики диода:

5. Советы по топологии контура

Бустрепный конденсатор должен быть всегда размещен как можно ближе к выводам ИС (как показано на рисунке 2):

Рис.2. Рекомендуемая схема расположения бустрепных компонентов

Наконец для обеспечения хорошей локальной развязки должен быть использован по меньшей мере один конденсатор ESR (эквивалентного последовательного сопротивления) с низкими значениями емкости и других параметров, например, если в качестве бустрепного конденсатора используется алюминиевый электролитический конденсатор, то вблизи выводов ИС должен находиться отдельный керамический конденсатор.

Если же в качестве бустрепного конденсатора используется керамический или танталовый конденсатор, то этого уже само по себе достаточно для локальной развязки.

Источник

Бутстрепный конденсатор в схеме управления полумостом

Пока нижний ключ открыт и проводит ток, бутстрепный конденсатор оказывается подключен через этот открытый нижний ключ к минусовой шине питания, и в это время он может получать заряд через бутстрепный диод прямо от источника питания драйвера.

Когда нижний ключ закрывается, бутстрепный диод перестает подавать заряд в бутстрепный конденсатор, так как конденсатор в тот же момент оказывается отключен от минусовой шины, и теперь может функционировать как плавающий источник питания для схемы управления затвором верхнего ключа полумоста.

Такое решение вполне оправдано, ведь зачастую требуемая для управления ключом мощность относительно невелика, и расходуемая энергия может просто периодически пополняться от низковольтного источника питания драйвера прямо в процессе работы силового блока. Ярким примером может служить выходной НЧ каскад практически любого маломощного инвертора 12-220.

Что касается емкости бутстрепного конденсатора, то она должна быть ни слишком большой (чтобы успеть целиком перезарядиться за время, пока нижний ключ открыт) и ни слишком малой, чтобы не только не разрядиться об элементы схемы раньше времени, но и иметь возможность постоянно удерживать достаточное количество заряда без заметной просадки напряжения, чтобы этого заряда с лихвой хватило на цикл управления верхним ключом.

Поэтому при расчете минимальной емкости бутстрепного конденсатора во внимание принимают следующие значимые параметры: величину заряда затвора верхнего ключа Qg, ток потребления выходного каскада микросхемы в статическом режиме Is, падение напряжения на бутстрепном диоде Vbd.

Ток потребления выходного каскада микросхемы можно принять с запасом — Is = 1мА, а падение напряжения на диоде принять равным Vbd = 0,7В. Что касается типа конденсатора, то это должен быть конденсатор с минимальным током утечки, иначе ток утечки конденсатора придется тоже брать в расчет. На роль бутстрепного хорошо подойдет танталовый конденсатор, поскольку конденсаторы данного типа имеют наименьший ток утечки из прочих электролитических собратьев.

Пример расчета

Допустим, нам необходимо подобрать бутстрепный конденсатор для питания цепи управления верхним ключом полумоста, собранного на транзисторах IRF830, и работающего на частоте 50 кГц, причем заряд затвора верхнего ключа (напряжение управления с учетом падения напряжения на диоде составит 11,3В) при данном напряжении составит 30 нКл (полный заряд затвора Qg определяем по datasheet).

Пусть пульсация напряжения на бутстрепном конденсаторе не превысит dU=10 мВ. Значит к максимально допустимому изменению напряжения на бутстрепном конденсаторе за один цикл работы полумоста должны привести два основных потребителя: непосредственно микросхема и затвор управляемого ею полевика. После чего конденсатор будет перезаряжен через диод.

Цикл отработки микросхемы длится 1/50000 секунд, значит при потреблении в статическом режиме 1 мА рассеянный микросхемой заряд будет равен

Qмикросхемы=0,001/50000 = 20 нКл.

При отдаче этих зарядов, напряжение на конденсаторе не должно измениться более чем на 0,010 мВ. Тогда:

Для нашего примера:

Cбут=60нкл/0,010В = 6000 нф = 6,0 мкф.

Выберем конденсатор емкостью 10 мкф 16 В, танталовый. Некоторые разработчики рекомендуют умножать минимальную емкость конденсатора на 5-15, чтобы наверняка хватило. Что касается бутстрепного диода, то он должен быть быстродействующим и выдержать максимальное напряжение силовой части полумоста в качестве обратного.

Источник

Бутстрепная схема расширяет диапазон выходных напряжений ОУ до 0 В

Linear Technology LTC1150

Для многих приложений с однополярным питанием требуется размах выходного сигнала усилителя в пределах 1 мВ, или даже долей милливольта от уровня земли. Ограничения, обусловленные насыщением выходного каскада усилителя, обычно исключают такую возможность.

Рисунок 1.	Бутстрепная схема питания позволяет усилителю с однополярным питанием работать при выходном напряжении 0 В.

Бутстрепная схема питания, показанная на Рисунке 1, позволяет достичь желаемых результатов с помощью минимального количества компонентов. Микросхема усилителя IC₁, стабилизированного прерыванием, имеет выход внутреннего генератора. Этот выход коммутирует транзистор Q₁, обеспечивая управление диодно-емкостным зарядовым насосом. Выход зарядового насоса подключен к выводу питания V– усилителя IC₁ и смещает его потенциал ниже 0 В, что позволяет выходному сигналу опускаться до уровня земли и ниже.

Рисунок 2.	Осциллограмма запуска схемы показывает, что напряжение на шине питания V– усилителя (Канал B) становится отрицательным после начала работы внутреннего генератора микросхемы.

Из осциллограммы на Рисунке 2 видно, что напряжение на выводе V– (Канал B) при включении питания (Канал A) сначала нарастает, но становится отрицательным примерно в середине экрана, когда начинается тактирование усилителя. Схема обеспечивает простой способ расширения размаха выходного напряжения до 0 В, позволяя получить истинный выход «работающий при нуле».

Материалы по теме

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

Источник