Перейти к содержанию

Бутстрепный конденсатор (bootstrap)

Чтобы открыть N-канальный MOSFET в верхнем плече полумоста, на его затвор нужно подать напряжение выше напряжения питания силовой части. Проще всего его получить бутстрепной схемой: конденсатор заряжается от питания драйвера, пока верхний ключ закрыт, и затем «поднимается» вместе с истоком.

Обновлено Редакция GAW

Бутстрепный конденсатор (bootstrap capacitor, вольтодобавочный конденсатор) — конденсатор, который питает выходной каскад драйвера верхнего ключа в полумосте или H-мосте. N-канальный MOSFET верхнего плеча открывается напряжением между затвором и истоком, а исток при открытом ключе находится у плюса силовой шины — значит, затвор надо поднять ещё выше. AN-978 Infineon (International Rectifier) описывает решение: пока нижний ключ открыт и средняя точка полумоста у земли, конденсатор CBOOT заряжается от питания драйвера (в AN-978 — 15 В) через бутстрепный диод; когда открывается верхний ключ, конденсатор «всплывает» вместе с его истоком и питает драйвер затвора.

Расчёт ёмкости

Конденсатор за период отдаёт заряд затвора Qg, ток покоя верхнего канала, заряд схемы сдвига уровня и утечки. Формула из AN-978:

C≥2[2Qg+Iqbsf+Qls+ICbsf]VCC−Vf−VLS−VMin,C \ge \frac{2 \left[ 2 Q_g + \dfrac{I_{qbs}}{f} + Q_{ls} + \dfrac{I_{Cbs}}{f} \right]}{V_{CC} - V_f - V_{LS} - V_{Min}},

где Vf — падение на бутстрепном диоде, VLS — на нижнем ключе, VMin — наименьшее допустимое напряжение VB–VS, Qls — около 5 нКл у драйверов на 500–600 В. Если напряжение средней точки сильно уходит ниже COM, IR рекомендует увеличить бутстрепный конденсатор выше 0,47 мкФ, с малым ESR, — это уменьшает его перезаряд, — а конденсатор питания драйвера VCC–COM брать в 10 раз больше бутстрепного (AN-978, разд. 5).

Ограничения

  • Нужно время на подзарядку. Конденсатор заряжается только при открытом нижнем ключе, поэтому бутстреп не держит верхний ключ открытым бесконечно. У IR2110 верхний канал блокируется, когда VBS падает ниже 7,0–9,4 В.
  • Диод — сверхбыстрый, на полное напряжение шины, со средним током Qg·f.
  • Не электролит, если можно: по AN-978 его ток утечки приходится учитывать в расчёте, а у других типов им можно пренебречь.

Не путать с накачкой заряда: та сама генерирует повышенное напряжение и может держать верхний ключ открытым постоянно. Схемы, распиновка и расчёт для IR2110 — в статье «IR2110: драйвер верхнего и нижнего ключа», защитная пауза между ключами — мёртвое время.

Частые вопросы

Как рассчитать бутстрепный конденсатор?

По AN-978: ёмкость должна обеспечить заряд затвора верхнего ключа, ток покоя верхнего канала за период, заряд сдвига уровня и утечки так, чтобы напряжение на конденсаторе не упало ниже допустимого. Формула: C ≥ 2·[2Qg + Iqbs/f + Qls + Icbs/f] / (Vcc − Vf − VLS − VMin). На практике берут с запасом — а при сильных выбросах средней точки ниже COM IR рекомендует брать его больше 0,47 мкФ с малым ESR.

Почему бутстреп не работает при 100 % заполнения?

Конденсатор подзаряжается только когда нижний ключ открыт и исток верхнего ключа опущен к земле. Если верхний ключ открыт постоянно, конденсатор разряжается током покоя драйвера и утечками, и когда напряжение на нём падает ниже порога блокировки — у IR2110 около 8 В, — драйвер закрывает ключ. Для постоянно открытого верхнего ключа нужна накачка заряда или отдельный источник.

Какой диод ставить в бутстреп?

Сверхбыстрый, на полное напряжение силовой шины: когда верхний ключ открыт, диод запирает почти всё это напряжение. Быстрое восстановление нужно, чтобы конденсатор не разряжался обратно в питание драйвера. Средний ток диода мал — заряд затвора, умноженный на частоту, около 12 мА для IRF450 на 100 кГц по AN-978.

Источники

  1. International Rectifier (Infineon). AN-978 RevD: HV Floating MOS-Gate Driver ICs, 2007 — разд. 2.3: изолированный источник верхнего канала можно заменить бутстрепным конденсатором; он заряжается от 15 В через бутстрепный диод, пока нижний ключ открыт и VS у земли; разд. 3: ёмкость определяют заряд затвора, ток покоя IQBS, заряд сдвига уровня (около 5 нКл у драйверов на 500–600 В), утечки; формула минимальной ёмкости; диод — на полное напряжение шины, ток Qg·f (около 12 мА для IRF450 на 100 кГц), сверхбыстрый; лучше не электролит; разд. 5: CB не меньше 0,47 мкФ с малым ESR, конденсатор VCC–COM в 10 раз больше CB
  2. Infineon (International Rectifier). IR2110(S)PbF/IR2113(S)PbF High and Low Side Driver, Data Sheet No. PD60147 rev.V, 2019 — IQBS 125 тип., 230 мкА макс. при VBS = 15 В; блокировка верхнего канала при VBS ниже 7,0–9,4 В (спад), включение при 7,5–9,7 В

Нашли ошибку?

Смотрите также