Bootstrap-Kondensator in einer Halbbrücken-Steuerschaltung

Integrierte Schaltungen - Halbbrückentreiber, wie beispielsweise IR2153 oder IR2110, umfassen die Aufnahme eines sogenannten Bootstrap-Kondensators (abgetrennter Kondensator) in die allgemeine Schaltung zur unabhängigen Stromversorgung der oberen Schlüsselsteuerschaltung.

Während die untere Taste offen ist und Strom leitet, ist der Bootstrap-Kondensator über diese offene untere Taste mit dem negativen Leistungsbus verbunden und kann zu diesem Zeitpunkt Ladung von der Bootstrap-Diode direkt von der Stromquelle des Treibers empfangen.

Wenn der untere Schlüssel geschlossen ist, liefert die Bootstrap-Diode keine Ladung mehr an den Bootstrap-Kondensator, da der Kondensator gleichzeitig vom negativen Bus getrennt wird und nun als schwebende Stromquelle für die Gate-Steuerschaltung des oberen Halbbrückenschlüssels fungieren kann.

Eine solche Lösung ist gerechtfertigt, da der für die Schlüsselverwaltung häufig erforderliche Strom relativ gering ist und der Energieverbrauch direkt während des Betriebs des Netzteils einfach regelmäßig aus der Niederspannungsversorgung des Fahrers nachgefüllt werden kann. Ein markantes Beispiel ist die Niederfrequenz-Ausgangsstufe fast aller Niedrigleistungswechselrichter 12-220.

Die Kapazität des Bootstrap-Kondensators sollte weder zu groß (um Zeit zum vollständigen Aufladen in der Zeit zu haben, in der der untere Schlüssel geöffnet ist) noch nicht zu klein sein, um nicht nur die Schaltungselemente vorzeitig zu entladen, sondern auch ständig eine ausreichende Menge halten zu können Laden Sie ohne merklichen Spannungsabfall auf, so dass diese Ladung für den oberen Tastensteuerzyklus mehr als ausreichend ist.

Daher werden bei der Berechnung der minimalen Kapazität eines Bootstrap-Kondensators die folgenden signifikanten Parameter berücksichtigt: die Größe des Gate-Schalters Qg, die Stromaufnahme der Ausgangsstufe der Mikroschaltung im statischen Modus Is und der Spannungsabfall über der Bootstrap-Diode Vbd.

Die Stromaufnahme der Ausgangsstufe der Mikroschaltung kann mit einem Spielraum von Is = 1 mA gemessen werden, und der Spannungsabfall über der Diode sollte gleich Vbd = 0,7 V sein. Der Kondensatortyp muss ein Kondensator mit einem minimalen Leckstrom sein, andernfalls muss auch der Leckstrom des Kondensators berücksichtigt werden. Ein Tantalkondensator ist für die Bootstrap-Rolle gut geeignet, da Kondensatoren dieses Typs den geringsten Leckstrom von anderen elektrolytischen Gegenstücken aufweisen.

Berechnungsbeispiel

Angenommen, wir müssen einen Bootstrap-Kondensator auswählen, um den oberen Schlüsselsteuerkreis einer Halbbrücke zu versorgen, die auf IRF830-Transistoren montiert ist und mit einer Frequenz von 50 kHz arbeitet, und die Gate-Schalterladung (die Steuerspannung unter Berücksichtigung des Spannungsabfalls über der Diode beträgt 11,3 V) bei dieser Spannung 30 nC (die volle Gate-Ladung Qg wird durch das Datenblatt bestimmt).

Lassen Sie die Spannungswelligkeit am Bootstrap-Kondensator dU = 10 mV nicht überschreiten. Dies bedeutet, dass die zulässige Hauptspannungsänderung am Bootstrap-Kondensator in einem Zyklus des Halbbrückenbetriebs von zwei Hauptverbrauchern gebracht werden sollte: der Mikroschaltung selbst und dem von ihr gesteuerten Gate des Feldpols. Dann wird der Kondensator über die Diode aufgeladen.

Der Entwicklungszyklus der Mikroschaltung dauert 1/50000 Sekunden, was bedeutet, dass bei Verbrauch im statischen Modus 1 mA die vom Mikroschaltkreis abgegebene Ladung gleich ist

Q Mikroschaltungen = 0,001 / 50000 = 20 nC.

Q-Gate = 30 nC.

Bei Rückgabe dieser Ladungen sollte sich die Spannung am Kondensator nicht um mehr als 0,010 mV ändern. Dann:

SB * dU = Q Mikroschaltung + Q Gate.

Reset = (Q-Schaltungen + Q-Gatter) / dU.

Für unser Beispiel:

Cbt = 60 nl / 0,010 V = 6000 nF = 6,0 uF.

Wir wählen einen Kondensator mit einer Kapazität von 10 Mikrofarad 16 V, Tantal. Einige Entwickler empfehlen, die Mindestkapazität des Kondensators mit 5-15 zu multiplizieren, sodass dies wahrscheinlich ausreicht.Die Bootstrap-Diode muss schnell wirken und der maximalen Spannung des Leistungsteils der Halbbrücke umgekehrt standhalten.