Как простой бутстрепный конденсатор может спасти вашу схему управления полумостом — и где он чаще всего проваливает испытание времени

Интегральные микросхемы — драйверы полумостов, подобные IR2153 или IR2110, традиционно проектируются с применением так называемого бутстрепного (отделённого) конденсатора, обеспечивающего автономное питание цепи управления верхним ключом и позволяющего реализовать надёжное поднятие затвора относительно плавающей точки полумоста.

Как только нижний ключ открыт и проводит ток, бутстрепный конденсатор оказывается соединён с отрицательной шиной через этот проводящий ключ и одновременно получает заряд через бутстрепный диод непосредственно от источника питания драйвера.

С закрытием нижнего ключа поступление заряда через диод прекращается: конденсатор изолируется от минусовой шины и переходит в режим плавающего источника, снабжающего схемы управления затвором верхнего ключа требуемой энергоёмкой импульсной подпиткой.

Это инженерное решение оправдано тем, что энергоёмность управления верхним ключом сравнительно невелика, поэтому периодические подзарядки от низковольтного источника драйвера в ходе штатной работы силового узла полностью покрывают расходуемую энергию. Иллюстрацией служит выходной НЧ каскад типичного маломощного инвертора 12–220 В.

Емкость бутстрепного конденсатора должна быть выбрана в компромиссном диапазоне: не слишком большой, чтобы успевать перезаряжаться за время проводимости нижнего ключа, и не слишком малой, чтобы избежать преждевременной просадки напряжения под нагрузкой и обеспечить достаточный запас заряда для полного рабочего цикла управления верхним ключом.

При оценке минимальной требуемой емкости учитывают ряд ключевых параметров: величину заряда затвора верхнего ключа Qg, статический потребляемый ток выходного каскада микросхемы Is и падение напряжения на бутстрепном диоде Vbd.

Для практических расчётов часто берут запасные значения: Is = 1 мА и Vbd = 0,7 В. Важен также выбор типа конденсатора — предпочтителен элемент с минимальным током утечки; иначе утечку придётся включать в расчёт. В этом отношении танталовые конденсаторы удобны — они демонстрируют одно из наименьших значений утечки среди электролитических типов.

Пример расчета

Рассмотрим подбор бутстрепного конденсатора для питания цепи управления верхним ключом полумоста на транзисторах IRF830 при частоте коммутации 50 кГц. По данным datasheet полный заряд затвора при рабочем управляющем напряжении (с учётом падения на диоде — 11,3 В) составляет 30 нКл.

Допустимая пульсация напряжения на бутстрепном конденсаторе ограничена dU = 10 мВ. В рамках одного рабочего цикла основные потребители заряда — сама микросхема и затвор управляемого полевика; после отдачи заряда конденсатор снова перезаряжается через диод.

Период работы микросхемы равен 1/50000 с, следовательно при статическом потреблении 1 мА рассеиваемый микросхемой за цикл заряд составляет

Qмикросхемы=0,001/50000 = 20 нКл.

Qзатвора = 30 нКл.

При отдаче этих зарядов напряжение на конденсаторе не должно упасть более чем на 0,010 В. Следовательно можно записать баланс зарядов:

Cбут*dU=Qмикросхемы+Qзатвора.

Сбуст= (Qмикросхемы+Qзатвора)/dU.

Подставляя значения в наш пример, получаем:

Cбут=60 нКл/0,010 В = 6000 нФ = 6,0 мкФ.

Практически разумно выбрать конденсатор с ёмкостью 10 мкФ и номиналом 16 В, танталовый, обеспечивающий запас устойчивости. Многие инженеры рекомендуют умножать рассчитанную минимальную ёмкость на коэффициент 5–15 для значительного запаса. Бутстрепный диод следует выбирать быстродействующим и с допустимым обратным напряжением, равным или превышающим максимально возможное напряжение силовой части полумоста.

Популярные публикации:

• Триггер Шмитта — общее представление
• Простая RC-цепь для задержки прямоугольных импульсов
• Драйвер полевого транзистора из дискретных компонентов

Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Электрическая энергия в быту и на производстве » Практическая электроника

Подписывайтесь на канал в Telegram про электронику для профессионалов и любителей: Практическая электроника на каждый день