驅(qū)動電路設計是功率半導體應用的難點，涉及到功率半導體的動態(tài)過程控制及器件的保護，實踐性很強。為了方便實現(xiàn)可靠的驅(qū)動設計，英飛凌的驅(qū)動集成電路自帶了一些重要的功能，本系列文章講詳細講解如何正確理解和應用這些功能。

驅(qū)動電路有兩類，隔離型的驅(qū)動電路和電平位移驅(qū)動電路，他們對電源的要求不一樣，隔離型的驅(qū)動電路需要隔離電源，驅(qū)動集成電路一般都支持正負電源，而電平位移驅(qū)動電路一般采用非隔離的自舉電源，一般是單極性正電源。

隨著IGBT技術的發(fā)展和系統(tǒng)設計的優(yōu)化，電平位移驅(qū)動電路應用場景越來越廣，電路從600V拓展到了1200V。1200V系列驅(qū)動電流可達+/-2.3A，可驅(qū)動中功率IGBT，包括Easy系列模塊。目標10kW+應用，如商用HVAC、熱泵、伺服驅(qū)動器、工業(yè)變頻器、泵和風機。

電平位移驅(qū)動電路只能實現(xiàn)功能隔離，所以非隔離的自舉電路是最合適的選擇。

自舉電路

在一些低成本的應用中，特別是對于600V的IGBT和一些小功率的1200V的IGBT，業(yè)界總是嘗試把驅(qū)動級電源的成本降到最低。因而自舉電路在這些應用中非常受歡迎。

典型自舉電路如圖1所示，自舉電路僅僅需要一個15~18V的電源來給逆變器的驅(qū)動級供電，所有半橋下橋臂IGBT的驅(qū)動器都與這個電源直接相連，(見圖1中的VSL引腳)。半橋上橋臂IGBT的驅(qū)動器通過電阻Rb和二極管VDb連到電源(VSH引腳)上。每個驅(qū)動器的電源引腳上都有一個電容(C1和C2)來濾波。電容器C2只給下橋臂驅(qū)動器濾波和提供瞬態(tài)電流。

圖1.自舉電路

然而，上端電容器C1還有另外的任務。電路啟動時，電容器沒有或只是部分充電。但是當?shù)撞縄GBT VT2導通后，電流通過Rb和VDb為C1充電且基本達到電源電壓的水平。當然這個電壓需要減去二極管VDb的正向電壓，電阻Rb的壓降和底部IGBT VT2的導通壓降。當下橋臂IGBT VT2關斷時，電容器C1接地電位上升，可以滿足上端驅(qū)動級所需要的電壓，所以該電容也被稱作自舉電容。一旦VT1開通，電壓發(fā)生變化，自舉二極管VDb要承受直流母線電壓。

為了驅(qū)動VT1，電容器C1相應地放電。隨著接下來IGBT VT2的導通，C1流失的電荷得到補充，這樣能循環(huán)工作。

自舉電路設計很巧妙，簡單好用，但能夠正常運轉(zhuǎn)，需要注意一系列問題：

● 系統(tǒng)啟動時，要保證先開通半橋的下橋臂IGBT，這樣自舉電容能夠被充電到上橋臂所需的驅(qū)動電壓的額定值。否則可能會導致不受控制的開關狀態(tài)和/或錯誤產(chǎn)生。

● 自舉電容器C1的容量必須足夠大，這樣可以在一個完整的工作循環(huán)內(nèi)滿足上部驅(qū)動器的能量要求。

● 自舉電容器的電壓不能低于最小值，否則就會出現(xiàn)低壓閉鎖保護。

● 最初給自舉電容器充電時,可能出現(xiàn)很大的峰值電流。這可能會干擾其他電路。因此建議用個小電阻Rb來限制電流。

● 一方面，自舉二極管必須快，因為它工作的頻率和IGBT是一樣的，一般用超快恢復二極管，如果功率器件是SiCMOS話這個二極管可能需要SiC二極管；另一方面，它必須有足夠大的耐壓，至少和IGBT的阻斷電壓一樣大。這就意味著，600V/1200V的IGBT，就必須選擇600V/1200V的自舉二極管。在選擇二極管的時候，考慮到其額定電壓和開關頻率，二極管的封裝必須保證足夠大的電氣間隙和爬電距離。

● 當選擇驅(qū)動電源電壓時，要考慮自舉電路的損耗，必須考慮驅(qū)動器內(nèi)部電壓降以及自舉二極管VDb和電阻Rb的壓降，還必須減去下橋臂IGBT VT2的飽和電壓。最終的自舉電壓要保證上管IGBT柵極電壓不能太低而導致開通損耗增加（因為電壓UCEsat增加）。

● 上下驅(qū)動器的供電電壓都是USupply。然而，上橋臂驅(qū)動器的供電電壓需要減去上文提到的電壓，這樣導致上橋臂的IGBT VT1驅(qū)動電壓總是要比下橋臂VT2要低，是在不同的正向柵極電壓下開通的。因此，電壓USupply選取應當保證VT1有足夠的柵極電壓，并且同時VT2的柵極電壓也不會變得太高。

● 對于自舉電容器，應該選用低等效串聯(lián)電阻ESR和等效串聯(lián)電感ESL的電容器(比如陶瓷電容)，這樣可以有效為驅(qū)動提供脈沖電流。根據(jù)需要和應用環(huán)境，也可以選用高容量的電容(比如電解電容)與這些電容并聯(lián)使用。相比陶瓷電容，電解電容具有更高的ESR和ESL值，所以建議并聯(lián)陶瓷電容。通常，這一設計原則也適用于下橋臂驅(qū)動器的緩沖電容C2。

● 用自舉電路來提供負電壓的做法是不常見的，如此一來，就必須注意IGBT的寄生導通了(密勒鉗位可以防止寄生導通,參考《驅(qū)動電路設計（三）---驅(qū)動器的功能---電源》（http://m.ptau.cn/article/202503/467754.htm）)。

最后需要注意的是，IGBT開關產(chǎn)生的dv/dt通過自舉二極管VDb的結(jié)電容會產(chǎn)生共模電流，因此選擇合適的高壓二極管是至關重要的。英飛凌的一些電平位移驅(qū)動電路芯片將高壓自舉二極管集成在芯片里，設計應當注意最大dv/dt不能超出最大承受能力。另外，二極管VDb與其串聯(lián)電阻Rb共同決定充電電流，當開關頻率為fSW時，可以計算最大Cb。

可以用下面的公式估算自舉電容的值，即：

式中:

QG為IGBT的柵極電荷

Iq為相關驅(qū)動器的靜態(tài)電流

Ileak為自舉電容的漏電流(只與電解電容有關)

fSW為IGBT的開關頻率

UCC為驅(qū)動電源電壓

UF為自舉二極管的正向電壓

UCEsat為下橋臂IGBT的飽和電壓

S為余量系數(shù)

在計算這個電容時，應該選用一個足夠大的余量因數(shù)S，使得選擇的電容在開通IGBT時，電壓降小于5%，S的值通常大于10。

自舉電路具有簡單、成本低的優(yōu)點。而且有很多實際案例可以抄作業(yè)，不過，由于系統(tǒng)往往存在特殊或極端工況，如設計不當，調(diào)制頻率或占空比不足以刷新自舉電容器上電荷，電容上的電壓不夠，低于低電壓關閉值UVLO，這時候就出現(xiàn)了系統(tǒng)故障，嚴重時會損壞系統(tǒng)。

下篇文章開始詳細介紹自舉電路的設計，討論設計中的一些問題，幫助理解自舉電路。

系列文章：

驅(qū)動電路設計（一）—— 驅(qū)動器的功能綜述（http://m.ptau.cn/article/202502/466941.htm）

驅(qū)動電路設計（二）——驅(qū)動器的輸入側(cè)探究（http://m.ptau.cn/article/202502/467031.htm）

驅(qū)動電路設計（三）---驅(qū)動器的隔離電源雜談（http://m.ptau.cn/article/202503/467754.htm）

驅(qū)動電路設計（五）——驅(qū)動器的自舉電源穩(wěn)態(tài)設計 (http://m.ptau.cn/article/202503/468089.htm)