Где у бутстрепного питания драйвера верхнего ключа лежит нижняя граница частоты и как её обойти

Бутстрепная схема питания верхнего ключа в полумосте подкупает дешевизной. Один диод, один конденсатор, и драйвер верхнего транзистора получает плавающее питание без отдельного изолированного источника. Схема работает в зарядных устройствах, приводах, инверторах, экономит место и стоимость. Но у неё есть коварная нижняя граница рабочей частоты, о которую спотыкаются, когда пытаются заставить полумост работать на малой скорости или с очень большим заполнением верхнего ключа. Разберём, откуда берётся эта граница, как её посчитать и какими приёмами обойти, не переходя сразу на дорогой изолированный источник.

Принцип бутстрепа и почему верхнему ключу вообще нужно плавающее питание

Верхний транзистор полумоста управляется относительно своего истока, а исток этот при открытом верхнем ключе поднимается почти до напряжения шины. Чтобы открыть полевой или биполярный ключ с изолированным затвором, на затвор относительно истока нужно подать около 10-15 вольт. Значит, питание драйвера верхнего ключа должно плавать вместе с истоком, болтаясь от нуля до полного напряжения шины.

Бутстреп решает это элегантно. Бутстрепный конденсатор заряжается в то время, когда открыт нижний ключ и общая точка полумоста притянута к земле. В этот момент через бутстрепный диод конденсатор заряжается от низковольтного питания драйвера почти до напряжения этого питания. Когда же открывается верхний ключ и общая точка взлетает к шине, диод запирается обратным напряжением, а заряженный конденсатор остаётся плавающим источником, питающим драйвер верхнего ключа. Бутстрепный конденсатор заряжается во время открытого состояния нижнего ключа и быстро разряжается, отдавая заряд в ёмкость затвора, а затем медленно разряжается во время открытого состояния верхнего ключа из-за токов покоя драйвера.

Ключевое условие работоспособности: общая точка полумоста обязана периодически опускаться к земле, чтобы конденсатор успевал подзаряжаться. Если этого не происходит достаточно часто, конденсатор разряжается ниже порога, и драйвер теряет работоспособность.

Откуда берётся нижняя граница частоты

Пока конденсатор питает драйвер верхнего ключа, он непрерывно разряжается. Расход заряда идёт на несколько статей: ток покоя самого драйвера на плавающей стороне, ток через цепи сдвига уровня, утечка бутстрепного диода в закрытом состоянии и заряд, ушедший в затвор при включении. Чем дольше открыт верхний ключ без подзарядки, тем глубже просаживается напряжение на конденсаторе.

Напряжение на конденсаторе нельзя ронять ниже порога недонапряжения драйвера. Когда верхний выход включён, заряжается верхний затвор, и если это приводит к падению бутстрепного напряжения ниже порога недонапряжения драйвера, верхний выход блокируется и возникает логическая ошибка. У типового драйвера этот порог около 5,6 вольта при питании 12 вольт, то есть допустимая просадка совсем небольшая.

Отсюда и нижняя граница частоты. Время открытого состояния верхнего ключа равно произведению заполнения на период, а период обратно пропорционален частоте. Чем ниже частота, тем длиннее период, тем дольше открыт верхний ключ при том же заполнении, тем глубже разряжается конденсатор. На какой-то низкой частоте просадка достигает порога недонапряжения, и схема перестаёт работать. Бутстрепная работа требует минимального времени выключения для пополнения заряда, и практические схемы целятся в максимальное заполнение около 95-98 процентов. Приложения, требующие стопроцентного заполнения, бутстрепом не запитать в принципе.

Расчёт минимальной ёмкости и связанной с ней границы

Минимальную ёмкость бутстрепного конденсатора считают из баланса заряда. За время открытого верхнего ключа конденсатор должен отдать весь нужный заряд, просев не более чем на допустимую величину. Общее правило таково, что бутстрепный конденсатор должен отдавать энергию в затвор верхнего ключа, теряя не более десяти процентов своего заряда, и его ёмкость должна быть минимум в десять раз больше ёмкости затвора верхнего транзистора.

Заряд, который конденсатор должен поставить за один цикл при максимальном заполнении, складывается из заряда затвора и тока покоя, помноженного на время:

Qбут = Qg + (Iпокоя · Dmax) / fsw

Минимальная ёмкость получается делением этого заряда на допустимую просадку напряжения:

Cбут_min = Qбут / ΔU

Подставим реальные числа из практики: заряд затвора Qg = 62,7 нКл, ток покоя плавающей стороны около 1 мкА плюс ток покоя по выводу бутстрепа около 100 мкА, заполнение 0,5, частота 250 кГц, питание 12 вольт, прямое падение диода 0,65 вольта, порог недонапряжения 5,6 вольта. Допустимая просадка ΔU = 12 - 0,65 - 5,6 ≈ 5,75 вольта. Доминирует заряд затвора, ток покоя за полупериод даёт лишь около 0,2 нКл, поэтому Cбут_min ≈ 62,7·10⁻⁹ / 5,75 ≈ 11 нФ. Это абсолютный минимум, на практике берут многократно больше для запаса.

Теперь видно, как частота входит в расчёт. На низкой частоте слагаемое тока покоя растёт обратно пропорционально частоте, и при достаточно низкой частоте оно перестаёт быть пренебрежимо малым, требуя резкого увеличения ёмкости. Для непрерывной работы на низком заполнении нужны большие значения ёмкости, например в режиме прерывистой проводимости. Но просто наращивать конденсатор нельзя бесконечно: слишком большой конденсатор не успеет зарядиться за короткое время открытого нижнего ключа. Рекомендуется не превышать максимальную ёмкость около 47 мкФ, потому что иначе подзарядка за время открытого нижнего ключа станет неполной.

Особенно тяжёлый случай - низкоскоростной привод двигателя

Самая злая ситуация возникает в приводах двигателей на малой скорости при высоком моменте. Там применяют векторное управление, и заполнение одной из фаз надолго уходит в крайние значения. При низких скоростях привода под высоким моментом полное пополнение бутстрепного конденсатора часто оказывается недостижимым, что ведёт к снижению бутстрепного напряжения. В пространственно-векторной модуляции возможны интервалы до шестидесяти электрических градусов, когда нижний ключ полумоста вообще не переключается, и конденсатор всё это время только разряжается.

Здесь обычный расчёт по фиксированной частоте не спасает, потому что эффективная частота подзарядки фазы падает почти до нуля на медленных оборотах. Из-за непрерывного изменения заполнения в таких режимах вообще трудно вывести единую формулу для расчёта, и проектировщику приходится оценивать наихудший интервал отсутствия подзарядки и проверять, выдержит ли конденсатор просадку за это время. Часто оказывается, что не выдержит ни при какой разумной ёмкости, и тогда нужны схемотехнические обходы.

Приёмы обхода нижней границы

Первый приём - встроенный в драйвер низкоомный токоограничивающий резистор бутстрепа вместо внешнего большого сопротивления. Некоторые семейства драйверов имеют интегрированные бутстрепные диоды с низкоомными ограничивающими резисторами, что ускоряет перезарядку конденсатора при работе на низком заполнении. Быстрая перезарядка означает, что даже короткие окна открытого нижнего ключа достаточны для полного восстановления заряда, и нижняя граница частоты отодвигается вниз.

Второй приём - принудительное обновление заряда. Контроллер периодически вставляет короткий импульс нижнего ключа специально ради подзарядки конденсатора, даже когда логика управления этого не требует. Существуют схемы гарантированного удержания бутстрепа, где верхний ключ управляется в зависимости от измеренного напряжения на конденсаторе, а нижний ключ включается только тогда, когда нужно подзарядить конденсатор. В одной из реализаций нижний ключ включается лишь раз в несколько десятков циклов, что почти не снижает КПД, но удерживает заряд.

Третий приём - активное подтягивание бутстрепного узла к земле вспомогательным транзистором, который кратко роняет общую точку и форсирует подзарядку через диод, не открывая силовой нижний ключ. Это позволяет обновлять заряд даже в режимах, где нижний силовой ключ должен оставаться закрытым.

Выбор бутстрепного диода и резистора как часть границы

Параметры самого бутстрепного диода прямо влияют на нижнюю границу частоты. Диод обязан выдерживать полное напряжение шины в обратном направлении в момент, когда верхний ключ открыт, поэтому его обратное напряжение берут с запасом над напряжением шины. Но важнее скорость восстановления: обычный медленный диод в момент запирания при подъёме общей точки успевает протечь обратным током и подразрядить только что заряженный конденсатор. Поэтому ставят быстрый диод с малым временем обратного восстановления, иначе часть с трудом накопленного заряда утекает обратно каждый цикл.

Прямое падение диода прямо вычитается из напряжения, до которого заряжается конденсатор. При питании драйвера 12 вольт и падении 0,65 вольта конденсатор зарядится лишь до 11,35 вольта, и весь запас до порога недонапряжения отсчитывается уже от этой величины. Диод Шоттки с малым падением расширил бы запас, но у него велика обратная утечка, которая на высокой температуре сама разряжает конденсатор, поэтому выбор диода всегда компромисс между прямым падением и обратной утечкой.

Последовательный резистор в цепи заряда ограничивает пиковый ток через диод в момент подзарядки и защищает диод от броска тока, но он же образует с конденсатором постоянную времени, замедляющую заряд. Этот резистор образует с бутстрепным конденсатором постоянную времени, и поскольку она действует во время выключенного состояния верхнего ключа, отсюда и возникает зависимость от заполнения. Слишком большой резистор не даст конденсатору зарядиться за короткое окно открытого нижнего ключа на высокой частоте, слишком малый пропустит опасный бросок тока. Резистор подбирают так, чтобы постоянная времени заряда была заметно меньше минимального времени открытого нижнего ключа во всём рабочем диапазоне.

Доводка бутстрепа на прототипе по осциллографу

Расчёт даёт стартовые номиналы, но финальную проверку всегда ведут на работающей плате, потому что реальные токи покоя, утечки и паразитные ёмкости отличаются от паспортных. Главный измеряемый сигнал - напряжение на бутстрепном конденсаторе относительно общей точки полумоста. На осциллографе видно, как конденсатор заряжается за время открытого нижнего ключа и просаживается за время открытого верхнего.

Доводку ведут на самом тяжёлом режиме: максимальное заполнение верхнего ключа, минимальная рабочая частота, максимальная температура. Если в этом углу напряжение на конденсаторе просаживается ниже порога недонапряжения с запасом хотя бы вольт, ёмкость или скорость подзарядки увеличивают. Признак нехватки заряда легко опознать: верхний ключ начинает пропускать импульсы или открывается неполностью, на стоке появляется недооткрытое состояние с повышенными потерями, прибор греется. Это и есть та самая логическая блокировка по недонапряжению, которую драйвер вводит для самозащиты.

Отдельно прогоняют переходные режимы: пуск, резкий наброс и сброс нагрузки, изменение скорости в приводе. Именно в переходах заполнение может кратко уйти в крайние значения, и конденсатор, нормально работающий в установившемся режиме, способен просесть на переходе. Хорошо спроектированная бутстрепная схема проходит все эти режимы без блокировки верхнего ключа и без недооткрытия. Этот прогон отделяет схему, которая случайно работает на удобной частоте и заполнении, от схемы, надёжной во всём заявленном диапазоне.

Когда обходы заканчиваются и нужен честный изолированный источник

У всех обходов есть предел. Если приложение требует сколь угодно долгого удержания верхнего ключа открытым, вплоть до стопроцентного заполнения, или работы на сверхнизкой частоте без гарантированных окон подзарядки, бутстреп принципиально не справится. Приложения, требующие стопроцентного заполнения верхнего ключа, нуждаются в изолированном источнике питания затвора.

Альтернативы известны. Выделенный изолированный источник питания не имеет требований ни по заполнению, ни по минимальной частоте коммутации, а входы изолированного драйвера управляются независимо, что позволяет настраивать мёртвое время. Цена этого - больший размер и стоимость решения из-за дополнительных компонентов. Реализуют такой источник маломощным дополнительным преобразователем, отдельной обмоткой смещения на трансформаторе или зарядовым насосом, который генерирует напряжение независимо от ограничений заполнения.

Выбор между бутстрепом и изолированным источником сводится к одному вопросу: гарантирует ли приложение достаточно частые окна, когда общая точка полумоста опускается к земле. Если да, бутстреп остаётся недорогим решением с минимумом деталей, и его границу можно отодвинуть быстрой перезарядкой и принудительным обновлением. Если нет, попытки натянуть бутстреп на режим со сверхдлинным открытым состоянием верхнего ключа оборачиваются срывами по недонапряжению и блокировкой драйвера, и честнее сразу заложить изолированное питание. Понимание физики разряда конденсатора и трезвая оценка наихудшего интервала без подзарядки и есть тот критерий, который отделяет работающую дешёвую схему от источника постоянных загадочных сбоев верхнего ключа.