Bootstrap(부트스트랩)회로

1. 정의

Bootstrap회로는 출력 스위치의 상층(High side)에 있는 FET의 Gate-Source에 전원을 인가해주기 위해 사용되는 회로이다.

High side FET의 Gate-Source에 전압을 인가하기 위해서 Source단보다 Gate의 전압이 높아야 한다.

FET : NMOS에서 Gate단의 전압이 높아야 전자가 이동하여 전류가 흐른다. 

 

일반적으로 FET의 Gate-Source단 중 Source가 GND인 것은 Low side의 것이다.

위 그림에서 High side에 Source단은 GND가 아니고 +단에 위치해 있다.

그렇기에 FET를 turn on시키기 위해 +의 Source단의 전압보다 높은 전압을 Gate에 인가하면 된다.

그렇기에 부트스트랩 회로를 사용한다.

 

2. 동작원리

NMOS사용시

 

Gate driver를 사용한 부트스트랩 동작 설명.

INFINEON의 AUIR21811STR

Gate driver가 외부 회로로 있는 Bootstrap의 동작 원리 설명.

총 3단계를 반복하며 동작한다.

 

위 그림은 High side FET에 연결된 Gate driver와 bootstrap회로이다.

입력은 12V이고 +라이에 FET이 연결되어 오른쪽 FET를 turn on/off 진행해야하는 회로이다.

그림엔 입력은 없는 상태이고 동작 시 Q에 high신호가 나오면 Q^-는 low가 나오는 구조이다.

 

(1) Gate dirver 내부 신호(Q : High / Q^- : Low)

위 사진은 Q에 high 신호가 인가되고 Q^- 신호에는 low가 인가되었을 때를 나타낸다.

Q에 high가 입력되어 Gate driver 내 상단 FET가 turn on되었고 하단 FET는 turn off 상태이다.

Gate driver 내 상단 FET가 turn on 되어 Vcc의 전압이 빨간색 라인(화살표)로 전압이 인가되게 된다.

Vcc 전압이 외부 FET gate-source에 인가되어 외부 FET는 turn on이 된다.

그리고 여기서 bootstrap 회로의 capacitor에 12V가 인가되어 충전된다.(외부 FET gate와 VB가 같은 라인이기 때문)

동시에 외부 FET가 turn on 되어 출력단 전압이 0V --> 12V로 증가하게 된다.

그러나 출력단 전압이 증가한다는 것은 외부 FET의 source 단의 전압 또한 0V --> 12V로 증가하는 것이다.

Bootstrap 회로가 없다면 FET Gate 전압과 Source 전압에 외부 FET를 turn on 시킬 수 없는 전압까지 내려가므로 FET가 off 되게 된다.

 

(2) Gate driver 내부 신호(Q : Low / Q^- : High)

위 그림은 위의 그림과 반대로 Q가 low이고 Q^-가 high인 경우이다.

Q^-가 high가 되어 Gate driver의 하단 FET가 turn on이 된다. 

Gate driver의 하단 FET가 turn on되면서 외부 FET의 Gate-source에 인가되었던 Vcc 전압은 0V로 방전되게 된다.

그러면 외부 FET가 turn off되어 회로가 끊어지게 된다.

VB와 VS에 연결되어 있던 Capacitor에 충전된 전압은 유지하게 된다.

아래 그림을 보면 Capacitor에 충전되어 있는 12V가 따로 방전될 경로가 없는 것을 알 수 있다.

 

(3) Gate driver 내부 신호(Q : Low / Q^- : High)

다시 Q가 high, Q^-는 low가 되었을 때이다.

Q가 high가 되어 다시 Gate driver의 상단 FET가 turn on되고 충전되어 있던 Capacitor가 외부 FET의 gate-source로 인가되게 된다.

해당 Capacitor는 GND와 연결되지 않고 VB와 VS사이에 연결되어 있었기에 GND와 관계없이 VB와 VS 사이에 독립적으로 12V가 인가되어 있다.

그렇기 때문에 외부 FET의 source가 12V이여도 gate-source에는 capacitor의 전압인 12V가 인가될 수 있다.

실제로 Gate-GND로 전압을 측정하면 24V가 측정되는 것을 볼 수 있다.

 

NMOS추가 내용은 밑의 영상참고 설계시 참고 

PMOS사용시

일반적으로 p채널 MOSFET의 하이사이드 MOSFET스위칭은 음의(-) Vgs가 필요하기 때문에 쉽다.

N채널과의 유일한 차이점은 게이트 구동 전류의 경로이다.

전류는 접지 연결부에 절대 흐르지 않는다. 대신, 게이트의 높은 충전 및 방전 전륜은 양극 레일, 즉 공급 전압에 의해 전도된다.

입력 전압과 드라이버의 VDD가 p채널 MOSFET을 켜기 위해 동일한 전압 레벨에 있다고 가정한다.

음의 vgs를 제공하면 소스와 게이트의전압 사이의 전압 차이가음수여야 함을 의미한다.

 

게이트에서 소스까지의 전압 임계값은 -2 ~ -4V 이므로 이 회로에서 입력 전압은 12V라고 가정하고 MOSFET의 게이트에 7V를 제공하면 소스의 전압이 12V이고 게이트에 7V가 있으므로 MOSFET이 켜진다.

 

게이트와 소스 사이의 전압 차이는 게이트 임계 전압보다 높은 약 -5V이므로 MOSFET 게이트에 7V를 제공하는 대신 MOSFET이 잘 켜질 것이다.
이 경우 게이트를 접지로 당길 수 있다.

vgs 가 -12V이므로 MOSFET이 켜지고 전류 전달 용량이 더 좋아질 것다.

 

따라서 이 MOSFET을 켜기 위해 게이트 드라이버는 내부 트랜지스터를 통해 게이트르 접지에 쉽게 연결한다.

 

이 트랜지스터를 끄기 위해 MOSFET의 게이트는 MOSFET 드라이버에 의해 공급 전압에 연결되므로 Vgs는 0이 되고 MOSFET은 꺼진다.

p채널 MOSFET이 하이사이드 스위칭에 유용한 이유로 추가 회로가 필요하지 않다는 것이다.

하지면 잘 사용하지 않는 이유로

1. P채널 MOSFET은 N채널 MOSFET보다 가격이 더 비싸다.

2. P채널 MOSFET은(200mohm)  N채널 MOSFET(77mohm)보다 Rds(on) 및 입력 커패시턴스가 더 높다.

=> N채널 MOSFET은 고속 스위칭 애플리케이션 중에 전도 손실이 더 적다.

빠른 스위칭 애플리케이션에는 N채널 MOSFET을 사용하는 것이 더 효율적이다.

 

3. 설계

일부 저비용 애플리케이션, 특히 일부 600V 저전력 IGBT의 경우 업계에서는 항상 드라이버 단계의 비용을 최소화하려고 한다.

따라서 부트스트랩 전원 공급 장치는 단순성과 저렴한 비용으로 인해 고전압 게이트 드라이브(HVIC) 회로에 전원을 공급하는 광범위한 방법이 되었다.

 

부트스트랩 회로는 인버터의 드라이버 단계에 에너지를 공급하기 위해 15~18V 전원 공급 장치만 필요하다.

하프 브리지의 모든 하단 IGBT는 이 전원 공급 장치에 직접 연결되고 하프 브리지 상단 IGBT의 드라이버는 저항 Rboot 및 다이오드 VF를 통해 전원 공급 장치에 연결된다.

전원 공급 장치 Vb에서 각 드라이버에는 전압을 버퍼링하는 커패시터 Cboot가 있다.

 

하부 튜브 S2가 켜지고 Vs가 전원 전압 Vcc 이하로 떨어지면 Vcc는 부트스트랩 다이오드와 부트스트랩 저항 Rboot를 통해 부트스트랩 커패시터 Cboot를 충전하고 부트스트랩 커패시터 양단에 Vbs 플로팅 전압을 생성하여 Vs에 대한 H1O 전환.

상부 튜브 SXNUMX의 스위치로 부트스트랩 다이오드는 Vs가 높을 때 역 바이어스되고 Vbs와 전원 공급 장치 Vcc가 절연된.

 

(1) Bootstrap 커패시터 선택

하부관(S2)이 턴온되면 Vs 전압이 전원전압(Vcc)보다 낮아질 때마다 부트스트랩 커패시터(Cboot)가 충전된다.

부트스트랩 커패시터는 하이 사이드 스위치 S1이 켜져 있을 때만 방전됩니다.

부트스트랩 커패시터는 하이사이드 회로에 전원(VBS)을 제공합니다. 고려해야 할 첫 번째 매개변수는 하이 사이드 스위치가 켜져 있을 때 부트스트랩 커패시터의 최대 전압 강하입니다.

최대 허용 전압 강하(Vbs)는 유지해야 하는 최소 게이트 구동 전압에 따라 다릅니다. VGSMIN이 최소 게이트-소스 전압인 경우 커패시터 양단의 전압 강하는 다음과 같아야 합니다.

Vcc= 드라이버 칩의 전원 전압

VF= 부트스트랩 다이오드 순방향 전압 강하

VRboot= 저항에 걸친 전압 강하Vgsmin= Vgs에 걸리는 최소 전압Vcesat(s2)= 하부 튜브의 온 전압강하 S2

 

QTOT는 커패시터의 총 충전량이고 부트스트랩 커패시터의 총 전하는 방정식 4로 계산된다.

 

권장 커패시터 값은 사용되는 장치 및 애플리케이션 조건에 따라 선택해야 합니다. 커패시터가 너무 작으면 상단 튜브가 켜질 때 부트스트랩 커패시터의 리플이 너무 커서 커패시터의 서비스 수명이 감소하고 스위치 튜브의 손실이 증가하며 스위치의 신뢰성이 감소합니다.

값이 너무 크면 부트스트랩 커패시터의 충전 시간이 줄어듭니다. 감소하면 커패시터가 부트스트랩 전압에 도달하기에 로우 사이드 온 타임이 충분하지 않을 수 있습니다.

 

(2) Bootstrap 저항 선택

부트스트랩 저항의 주요 기능은 부트스트랩 커패시터가 처음으로 충전될 때 전류 제한이 너무 커지는 것을 방지하는 것입니다.

Infineon의 드라이버 칩에는 일반적으로 부트스트랩 다이오드와 저항이 내장되어 있으므로 저항 선택을 고려할 필요가 없습니다.

외부 부트스트랩 저항을 사용할 때 저항 RBOOT는 추가 전압 강하를 가져옵니다.

ICHARGE = 부트스트랩 커패시터의 충전 전류;
RBOOT = 부트스트랩 저항기;
tCHARGE=부트스트랩 커패시터의 충전 시간(하부 튜브의 전도 시간)

 

저항 값(일반적으로 5~15Ω)이 너무 크지 않아야 합니다. 그렇지 않으면 VBS 시정수가 증가합니다.

최대 허용 전압 강하(VBOOT)를 계산할 때 부트스트랩 다이오드의 전압 강하를 고려해야 합니다.

이 전압 강하가 너무 크거나 회로가 충분한 충전 시간을 제공하지 않는 경우 고속 복구 또는 초고속 복구 다이오드를 사용할 수 있습니다.

 

실제로 선택할 때 부트스트랩 저항이 너무 작다는 제한을 더 많이 고려할 수 있습니다.

1. 과도한 충전 전류는 저전력 출력 애플리케이션에서 샘플링 저항 과전류 보호를 트리거합니다.
2. 부트스트랩 저항이 너무 작으면 dVbs/dt가 높아져 Vs 부압이 높아질 수 있습니다. Vs 음압 피해에 대해서는 추후에 계속 논의하도록 하겠습니다.
3. 충전 전류가 너무 크면 충전 단계에서 Vcc 전압이 너무 낮아서 저전압 보호가 됩니다.
4. 부트스트랩 다이오드에 과전류 손상을 일으키기 쉽습니다.

 

(3) Bootstrap 회로 설계 포인트

1. 작업을 시작한 후에는 부트스트랩 커패시터가 전원 공급 장치의 정격 값으로 재충전될 수 있도록 항상 하프 브리지의 저측 IGBT를 먼저 켜십시오. 그렇지 않으면 제어되지 않는 스위칭 상태 및/또는 오류가 발생할 수 있습니다.

2. 부트스트랩 커패시터 Cboot의 용량은 전체 듀티 사이클 내에서 하이 사이드 드라이버의 에너지 요구 사항을 충족할 만큼 충분히 커야 합니다.

3. 부트스트랩 커패시터의 전압은 최소값보다 낮을 수 없습니다. 그렇지 않으면 저전압 차단 보호가 발생합니다.

4. 부트스트랩 커패시터를 처음 충전할 때 큰 피크 전류가 발생할 수 있습니다. 이는 다른 회로와 간섭할 수 있으므로 전류 제한을 위해 낮은 임피던스 부트스트랩 저항을 권장합니다.

5. 부트스트랩 다이오드는 한편으로는 동작 주파수가 IGBT와 같기 때문에 빨라야 하고, 다른 한편으로는 충분히 큰 차단 전압을 가져야 하며, 적어도 600%의 차단 전압만큼 커야 합니다. IGBT. 이는 600V IGBT가 XNUMXV 부트스트랩 다이오드를 선택해야 함을 의미합니다.

6. 구동 전원의 Vcc 전압 선택 시 드라이버 내부 전압 강하와 부트스트랩 다이오드 및 부트스트랩 저항의 전압 강하를 고려하여 IGBT 게이트 전압이 너무 낮아져 턴- 손실에.

또한, 결정된 전압은 하부 튜브 IGBT의 포화 전압 강하에서 빼야 하며, 이는 상부 및 하부 튜브 IGBT가 서로 다른 순방향 게이트 전압에서 켜지도록 합니다.

따라서 Vcc는 상부 튜브에 충분한 게이트 전압이 있는지 확인하고 동시에 하부 튜브 IGBT가 켜져 있는지 확인해야 합니다. 튜브의 게이트 전압이 너무 높아지지 않습니다.

7. 음압을 제공하기 위해 부트스트랩 회로를 사용하는 경우는 드물기 때문에 IGBT의 기생 전도에 주의가 필요합니다.

 

마지막으로 부트스트랩 회로에도 몇 가지 제한 사항이 있습니다.

장기간 저속 및 고전류 상황에서 작동하는 모터 구동 모터와 같은 일부 애플리케이션의 경우 하부 튜브의 턴온 듀티 사이클이 항상 상대적으로 작아서 부스트랩 충전이 불충분했습니다. 상부 튜브. 이 경우 PWM 알고리즘에서 특정 듀티 사이클 보상 또는 독립 전원 공급을 수행해야 합니다.

+참고

https://www.shunlongwei.com/ko/the-working-principle-of-the-bootstrap-circuit-and-the-selection-of-the-bootstrap-resistor-and-capacitor/

부트스트랩 회로의 작동 원리와 부트스트랩 저항 및 커패시터 선택 | 순롱웨이 주식회사

https://youtu.be/S6-WRdviEwA?si=J92Mc6qK_zFp_hpg

https://youtu.be/em5BuCFSuBw?si=nPH36jHWCVwmMmkj