傾佳電子：自舉電路的深度解析與核心元器件選型指南

傾佳電子（Changer Tech）是一家專注于功率半導體和新能源汽車連接器的分銷商。他們主要服務于中國工業(yè)電源、電力電子設備和新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈。傾佳電子聚焦于新能源、交通電動化和數(shù)字化轉(zhuǎn)型三大方向，并提供包括IGBT、SiC MOSFET、GaN等功率半導體器件以及新能源汽車連接器。

第一章：引言與自舉電路基礎

1.1 半橋拓撲與高側(cè)驅(qū)動的挑戰(zhàn)

在現(xiàn)代電源電子設計中，半橋（Half-bridge）拓撲是一種基礎且應用廣泛的電路結(jié)構。它由一對串聯(lián)的開關器件（如MOSFET）組成，常用于各種電源轉(zhuǎn)換器中，包括降壓（Buck）電路、同步升壓電路、半橋逆變器、全橋逆變器以及三相全橋電路等 。這種拓撲結(jié)構的關鍵優(yōu)勢在于其高效率和拓撲靈活性。然而，它也帶來了一個獨特的技術挑戰(zhàn)：如何為位于上半橋臂的高側(cè)開關管（High-side FET）提供穩(wěn)定的柵極驅(qū)動電源。

與下半橋臂的開關管（Low-side FET）不同，高側(cè)開關管的源極（Source）連接在開關節(jié)點（Switch Node, SW）上，這是一個電壓會隨著開關周期在高電位與低電位之間劇烈波動的“懸浮”節(jié)點。傳統(tǒng)的固定電源（如接地參考電源）無法直接為高側(cè)柵極驅(qū)動器供電。因此，設計者必須尋求一種特殊的供電方式，能夠跟隨SW節(jié)點的電壓波動，并始終為高側(cè)驅(qū)動器提供一個穩(wěn)定的柵-源電壓（VGS_High）。這一挑戰(zhàn)是所有半橋及相關拓撲設計者必須面對的核心問題。

1.2 自舉電源：簡單而高效的解決方案

為了解決上述挑戰(zhàn)，電源設計領域發(fā)展出多種解決方案。其中，自舉（Bootstrap）電路以其“電路簡單、成本低”的顯著優(yōu)點，成為一種被廣泛采用的經(jīng)典方法 。相比于采用獨立隔離電源或復雜電荷泵電路為高側(cè)驅(qū)動供電的方案，自舉電路大大降低了系統(tǒng)的復雜度和物料成本，尤其適合對成本敏感的大批量應用。其核心思想是利用開關節(jié)點（SW）的周期性電壓擺動，將一個直流電源的能量“自舉”到SW節(jié)點之上，從而形成一個懸浮的、能夠為高側(cè)驅(qū)動器供電的輔助電源。

1.3 自舉電路核心工作原理深度解析

自舉電路的核心在于一個動態(tài)的充放電循環(huán)，它巧妙地利用了半橋拓撲的開關特性來完成能量的轉(zhuǎn)移和存儲。這個循環(huán)可以被清晰地劃分為兩個階段：充電階段和放電階段。

1.3.1 充電階段（下管導通）

當高側(cè)開關管（Q1）關斷、下側(cè)開關管（Q2）導通時，開關節(jié)點（HS引腳）的電壓會被下管拉低至地電位（或接近地電位）。此時，柵極驅(qū)動芯片的直流電源（VDD）通過自舉二極管（DBOOT）向自舉電容（CBOOT）充電。由于自舉二極管的正向壓降（VBootDiode）存在，自舉電容兩端的電壓（VBS）會充電至大約 VBS=VDD?VBootDiode。這個電壓 VBS 構成了為高側(cè)驅(qū)動器供電的懸浮電源，為后續(xù)高側(cè)開關管的導通做好了能量儲備 。

1.3.2 放電階段（上管導通）

當下管（Q2）關斷、高側(cè)開關管（Q1）導通時，開關節(jié)點（HS引腳）的電壓會迅速被拉升至高電位。此時，自舉二極管（DBOOT）的陽極（連接VDD）電壓低于陰極（連接HS），因此二極管處于反向偏置狀態(tài)，從而將自舉電容（CBOOT）與VDD電源隔離開來。在這一階段，自舉電容獨立地為高側(cè)驅(qū)動器供電，驅(qū)動上管的柵極，并維持其導通狀態(tài) 。隨著開關頻率的升高，這個放電過程對自舉電容的容量和電壓穩(wěn)定性提出了更高的要求。

自舉電路的原理決定了其核心約束，即充電和放電這兩個過程必須在一個完整的開關周期內(nèi)達到能量平衡。放電期間，自舉電容消耗能量驅(qū)動上管；充電期間，電容從VDD補充能量。這個補充能量的時間窗口（即下管的導通時間）受到占空比的直接限制。當占空比極高（D接近100%）時，下管導通時間極短，充電時間窗口嚴重壓縮，可能導致電容無法獲得足夠的補充能量，其電壓會持續(xù)下降，最終可能引發(fā)驅(qū)動器欠壓鎖定（UVLO），從而導致上管無法正常工作。這一固有的因果關系是理解自舉電路所有問題的基礎。

第二章：自舉電容（C_BOOT）的選型原則

自舉電容是自舉電路的核心“能量庫”，其選型直接關系到高側(cè)驅(qū)動的穩(wěn)定性和可靠性。其主要任務是為高側(cè)MOSFET提供足夠的柵極電荷，并在放電周期內(nèi)將電壓降（?VHB）限制在可接受的范圍內(nèi)，以防止驅(qū)動器觸發(fā)欠壓鎖定（UVLO）而過早關斷 。

2.1 容值計算的兩種方法

2.1.1 經(jīng)驗法則：基于柵極電容的快速估算

在初步設計階段，可以采用經(jīng)驗法則對自舉電容的容值進行快速估算。根據(jù)這一法則，自舉電容的容值應至少比高側(cè)MOSFET的柵極電容大10倍，即： $$C_{boot} geq 10 times C_g quad text{}$$其中，

Cg 是MOSFET的柵極電容，它可以通過柵極電荷 Qg 和柵極驅(qū)動電壓 VQ1g 來計算：

Cg=VQ1gQg

而 VQ1g 則是柵極驅(qū)動器IC的電源電壓 VDD 減去自舉二極管的正向壓降 VBootDiode 。這一經(jīng)驗法則考慮了在實際應用中可能遇到的多種情況，包括溫度導致的電容變化、以及負載瞬態(tài)期間可能跳過的周期。

2.1.2 精準計算：兼顧損耗與UVLO的嚴謹方法

對于更嚴謹?shù)脑O計，可以采用更精確的公式來計算自舉電容的最小值。這一方法的核心是確保自舉電容的電壓降（?VHB）不超過驅(qū)動器UVLO的閾值。計算公式為：

Cboot≥ΔVHBQtotal

其中，Qtotal 代表在放電周期內(nèi)高側(cè)驅(qū)動器消耗的總電荷，它不僅包括驅(qū)動高側(cè)MOSFET柵極所需的電荷 QG，還包括驅(qū)動器本身的靜態(tài)電流 IHB 以及可能存在的從HB到VSS的漏電流 IHBS 所消耗的電荷。其完整表達式為：

$$Q_{total} = Q_G + I_{HBS} times frac{D_{max}}{f_{sw}} + frac{I_{HB}}{f_{sw}}$$而 $Delta V_{HB}$ 是自舉電容兩端允許的最大電壓降，其計算公式為：$$Delta V_{HB} = V_{DD} - V_{DH} - V_{HBL}$$

其中，VDD 是柵極驅(qū)動器IC的電源電壓，VDH 是自舉二極管的正向壓降，VHBL 是HB UVLO下降閾值電壓 。

2.2 容值選擇的權衡：過大與過小的影響

自舉電容的容值選擇是一個典型的權衡問題，過大或過小都會對電路性能產(chǎn)生負面影響 。

容值過?。喝绻耘e電容的容值低于所需的最小值，它可能無法存儲足夠的電荷來驅(qū)動高側(cè)MOSFET。在放電周期內(nèi)，電容上的電壓降會過大，可能導致其電壓跌落至低于驅(qū)動芯片的UVLO閾值，從而觸發(fā)保護機制，使上管過早關斷，甚至無法展開占空比 。

容值過大：如果自舉電容的容值過大，也會帶來一系列問題。首先，它會導致初始充電時流經(jīng)自舉二極管的沖擊電流過大。根據(jù)公式 Ipeak=Cboot×(Dv/dt) ，容值越大，在電壓瞬變時產(chǎn)生的峰值電流就越高，這可能燒毀內(nèi)部集成的自舉二極管 。其次，過大的電容會延長充電時間，導致最小關斷時間

Toff 變大，從而限制了最大占空比的展開 。

2.3 推薦的電容類型與關鍵參數(shù)

為了確保自舉電路的穩(wěn)定性和可靠性，建議使用表面貼裝型多層陶瓷電容器（MLCC）作為自舉電容 。MLCC具有良好的額定電壓、溫度系數(shù)、低ESR（等效串聯(lián)電阻）和低ESL（等效串聯(lián)電感）特性，非常適合高頻開關應用。在選擇電容時，其耐壓值應至少為VDD電源電壓的兩倍，以提供足夠的安全裕量 。

自舉電容、自舉電阻和自舉二極管并非孤立的元件，而是構成一個相互制約、緊密耦合的系統(tǒng)。例如，一個大容值的自舉電容為了滿足驅(qū)動需求，會產(chǎn)生極高的沖擊電流，這迫使設計者必須引入自舉電阻（RBOOT）來限制電流。然而，自舉電阻的引入又會增加充電時間常數(shù)，限制了最大占空比，并增加了UVLO的風險。因此，一個元件的選型決策會直接影響到另外兩個元件的性能要求和設計裕量。

第三章：自舉二極管（D_BOOT）的選型原則

自舉二極管是自舉電路中的關鍵“單向閥”，其職能包括：一是作為VDD向自舉電容（CBOOT）的充電路徑；二是作為上管導通時將VDD與懸浮的高壓SW節(jié)點隔離的“安全閥” 。其選型直接影響到電路的效率、可靠性和高頻性能。

3.1 關鍵性能參數(shù)深度解析

3.1.1 正向壓降（Vf）：對效率與驅(qū)動電壓的影響

正向壓降（Vf）是指二極管在導通時兩端的電壓降。對于自舉二極管而言，Vf越低越好。Vf越低，自舉電容上的充電電壓就越接近VDD，從而為高側(cè)柵極驅(qū)動器提供更充足的驅(qū)動電壓。充足的柵極驅(qū)動電壓能有效降低高側(cè)MOSFET的導通電阻（Rds(on)），從而減小導通損耗，提高整體效率 。肖特基二極管（Schottky Diode）以其極低的正向壓降而著稱，使其成為自舉二極管的理想選擇。

3.1.2 反向恢復時間（trr）：高頻應用的決定性因素

反向恢復時間（trr）是指二極管從導通狀態(tài)（正向偏置）轉(zhuǎn)為關斷狀態(tài)（反向偏置）時，電流沿相反方向流動所需的時間 。在這一短暫的時間內(nèi)，二極管會產(chǎn)生一個反向恢復電流，從而導致開關損耗。在半橋電路中，當開關節(jié)點（SW）電壓迅速上升時，自舉二極管需要迅速從導通狀態(tài)轉(zhuǎn)為關斷狀態(tài)。如果其反向恢復時間過長，會產(chǎn)生顯著的恢復電流，從而增加開關損耗，并在開關節(jié)點上引發(fā)振鈴（ringing） 。

隨著電源開關頻率的不斷提升，每次開關周期的trr損耗變得愈發(fā)顯著，甚至可能超過導通損耗。因此，對于高頻應用，選擇trr極短的二極管至關重要 。肖特基二極管是一種不依賴少數(shù)載流子進行電流傳輸?shù)膯螛O器件，其反向恢復時間幾乎為零，使其在高頻開關應用中具有無可比擬的優(yōu)勢。

3.1.3 額定電流與反向耐壓

除了Vf和trr，自舉二極管的額定電流（IF）和反向耐壓（VR）也是關鍵參數(shù) 。額定電流必須大于自舉電容的峰值充電電流，以避免過熱損壞。反向耐壓則必須大于輸入電源電壓，以確保在高側(cè)開關導通時，二極管能可靠地將VDD與高壓SW節(jié)點隔離開來。

3.2 肖特基二極管與超快恢復二極管的對比選型

在自舉電路中，通常選擇肖特基二極管（SBD）或超快恢復二極管（FRD）。下表對比了這兩種主流二極管的性能特點：

特性肖特基二極管（SBD）超快恢復二極管（FRD）選型考量正向壓降 (Vf)

極低

較低，但高于SBD

Vf越低，自舉電容充電電壓越接近VDD，降低高側(cè)MOSFET的導通損耗。反向恢復時間 (trr)

極短（近乎為零）

短

trr越短，高頻開關損耗越小，開關節(jié)點振鈴越輕微。在高頻應用中至關重要。反向耐壓 (VR)通常較低（<200V）通常較高（>200V）

需大于輸入電源電壓。對于高壓應用，F(xiàn)RD或SiC SBD是更好的選擇 。

反向漏電流 (IR)

較高

較低IR越大，功耗越高。溫度特性

Vf和trr受溫度影響小

trr隨溫度升高而變長

SBD的開關特性在高溫下更具優(yōu)越性。

3.3 針對GaN等新型器件的特殊考量

碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等寬禁帶（WBG）半導體器件以其極快的開關速度和高效率正逐漸普及。然而，這些器件對自舉電路提出了更高的要求。例如，GaN FET通常不具備硅MOSFET的寄生體二極管，其在第三象限導通時的壓降特性與硅器件不同，這使得其在死區(qū)時間內(nèi)可能產(chǎn)生更大的負電壓 。這種負電壓會加劇自舉電容的過充風險，因此需要搭配具有極低trr的自舉二極管，并結(jié)合其他鉗位技術來解決高頻開關帶來的振鈴和過充問題。

第四章：自舉電阻（R_BOOT）的選型原則

自舉電阻（RBOOT）在自舉電路中扮演著“平衡器”的角色，其作用并非僅限于限流，而是連接了電容選型、二極管保護與系統(tǒng)EMI/效率之間的復雜權衡。

4.1 自舉電阻的多重作用：電流限制與EMI抑制

4.1.1 限制充電峰值電流

自舉電阻的首要功能是在自舉電容（CBOOT）充電時，限制流經(jīng)自舉二極管（DBOOT）的峰值電流 。這在電路啟動時尤為重要，因為此時自舉電容處于完全放電狀態(tài)，充電電流峰值可能非常高。通過引入一個合適的電阻，可以有效保護自舉二極管，特別是當驅(qū)動器內(nèi)部集成了面積和散熱能力有限的二極管時 。

4.1.2 抑制高頻振鈴與EMI

自舉電阻的另一個關鍵作用是抑制開關節(jié)點（SW）上的高頻振鈴，并優(yōu)化電磁干擾（EMI）性能 。通過與自舉電容串聯(lián)，自舉電阻會增加高側(cè)MOSFET柵極的驅(qū)動時間常數(shù)，從而減緩其導通速度（降低

dv/dt）。這為寄生電感和電容組成的網(wǎng)絡提供了更多時間來放電，從而有效限制了開關過程中的振鈴，降低了輻射EMI水平。

4.2 阻值選擇的權衡藝術

選擇合適的自舉電阻阻值是一門權衡的藝術，需要綜合考慮多個相互矛盾的因素。

阻值過大：如果自舉電阻的阻值過大，它會顯著增加自舉電容的充電時間。在占空比較高，下管導通時間（Toff)很短的情況下，自舉電容可能無法在每個周期內(nèi)充滿電，導致其電壓持續(xù)下降，最終觸發(fā)欠壓鎖定（UVLO），使高側(cè)FET在周期中間關閉 。此外，過大的電阻會減慢MOSFET的開關速度，增加開關損耗，從而降低系統(tǒng)效率 。

阻值過?。喝绻柚颠^小，則無法有效限制啟動時流經(jīng)二極管的大沖擊電流，也無法有效抑制SW節(jié)點上的高頻振鈴和EMI。因此，阻值過小無法起到保護元件和優(yōu)化EMI的作用。

在大多數(shù)應用中，自舉電阻的值通常在5Ω至10Ω之間 。實際設計中，工程師通常從0Ω開始逐漸增加阻值，直到達到所需的振鈴或EMI水平，然后在此基礎上進行全面測試和評估，以確保在所有輸入電壓、輸出電壓、負載電流和工作溫度條件下都能實現(xiàn)穩(wěn)健的性能 。

4.3 自舉電阻的功率耗散計算

自舉電阻在充放電周期內(nèi)會產(chǎn)生功率耗散。尤其在啟動階段，當自舉電容第一次充電時，會產(chǎn)生瞬時的高功耗 。在實際應用中，需要根據(jù)最大可能流過的電流和電壓，計算其平均功率耗散，并留出足夠的裕量，以確保電阻的功率額定值能夠承受其工作環(huán)境下的熱應力。

第五章：自舉電路常見問題與高級解決方案

盡管自舉電路簡單高效，但在特定應用場景下，其固有特性也會導致一些挑戰(zhàn)，需要通過特殊設計來解決。

5.1 占空比極限與緩慢下電問題

電源轉(zhuǎn)換器在輸入電壓（VIN）緩慢下降至接近輸出電壓（VOUT）時，其占空比（D）會接近100% 。此時，下管的導通時間（

Toff)變得極短，導致自舉電容無法獲得足夠的充電能量。隨著時間的推移，自舉電容上的電壓持續(xù)下降，最終會降到驅(qū)動芯片的UVLO閾值以下，導致驅(qū)動電路關斷，從而引發(fā)輸出電壓異常重啟的循環(huán) 。

為了解決這個問題，可以從應用角度采取以下措施：

加快輸入端放電：減小輸入端的總電容容量，或增加假負載來加速輸入電壓的下降，避免輸入與輸出電壓長時間接近 。

增加自舉電容容量：適當增加CBOOT的容值可以延長其電壓下降的時間，但需要注意其上限，因為過大的電容會增加充電沖擊電流并限制最小關斷時間 。

使用芯片的使能（EN）功能：通過設置一個較高的關斷電壓點，可以在輸入電壓接近輸出電壓之前，提前關斷芯片，從而避免問題的發(fā)生 。

外部能量維持電路：針對那些沒有集成內(nèi)部解決方案的芯片，可以通過設計外部電路，例如外部電荷泵或能量維持電路，來為自舉電容提供穩(wěn)定的補充能量，確保其電壓始終高于UVLO閾值，直至輸入電壓完全降到轉(zhuǎn)換器工作范圍之外 。

5.2 自舉電容過充問題：成因與解決方案

在半橋拓撲中，當高側(cè)和低側(cè)FET都處于關斷狀態(tài)的死區(qū)時間內(nèi)，由于負載電流的持續(xù)循環(huán)，高側(cè)FET的源極（即開關節(jié)點HS）可能會產(chǎn)生負電壓 。對于硅MOSFET而言，其寄生體二極管會鉗位這個負電壓，使其保持在較低水平。然而，對于GaN等新型器件，由于其沒有體二極管，這個負電壓會更大，可能達到其閾值電壓（Vth）水平 。

這種負電壓會使得為高側(cè)FET供電的自舉電容（CBOOT）電壓在死區(qū)時間內(nèi)增加，可能超過VDD加上負電壓的總和，從而導致自舉電容上的電壓過高，甚至超出GaN FET柵極所能承受的電壓范圍 。

為了解決自舉過充問題，可以采用多種方法：

更改自舉元件：這是最簡單的方法，通過增大自舉電阻（RBOOT）或使用正向壓降（Vf）更高的二極管來限制流經(jīng)自舉路徑的電流，從而減少過充 。

齊納二極管法：將一個擊穿電壓（Vz）合適的齊納二極管與CBOOT并聯(lián)。一旦CBOOT充電至Vz，任何多余的電荷都會在齊納二極管中消耗，從而防止其電壓繼續(xù)升高 。這種方法的優(yōu)點是簡單可靠，但在高電流下會產(chǎn)生熱量，影響效率。

肖特基二極管法：將一個肖特基二極管與下部GaN FET并聯(lián)。這個二極管在第三象限運行中起到類似于體二極管的作用，將負HS電壓鉗位在一個較低的水平（通常小于1V），從而從根本上減少自舉過充 。這種方法比齊納二極管更高效，因為它在源頭上解決了問題。

5.3 其他替代方案：電荷泵與隔離電源的比較

在對性能要求極高、且無法容忍任何占空比限制的場合，可以使用電荷泵或隔離電源作為自舉電路的替代方案 。這些方案可以提供恒定的高壓，使驅(qū)動器完全獨立于開關狀態(tài)，從而允許100%的占空比運行，并完全避免自舉充電問題。然而，這些方案的缺點是成本更高，電路也更復雜，因此在非隔離式柵極驅(qū)動電路中很少使用 。

第六章：設計最佳實踐與總結(jié)

6.1 綜合考量：如何平衡效率、可靠性與成本

自舉電路的設計是一門復雜的權衡藝術，其核心在于理解和管理自舉電容、自舉電阻和自舉二極管這三個元件之間的相互作用。為了降低EMI而增加自舉電阻，可能會以犧牲效率為代價；為了提高效率而使用低Vf的二極管，可能會增加反向漏電流。一個優(yōu)秀的設計師必須在這些相互矛盾的目標之間找到最佳平衡點。為了實現(xiàn)穩(wěn)健的性能，所有元器件都必須在各種輸入電壓、輸出電壓、負載電流和工作溫度條件下進行全面測試和評估 。

6.2 結(jié)論：自舉電路設計精要

自舉電路作為一種經(jīng)典的高側(cè)驅(qū)動方案，其核心在于理解其動態(tài)的充放電機制及其與開關周期、占空比的內(nèi)在關聯(lián)。元件的選型不能孤立地進行，而必須系統(tǒng)性地考慮它們作為一個耦合系統(tǒng)所帶來的相互影響。面對高頻化、高功率密度以及GaN等新型半導體器件帶來的新挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)自舉電路會遇到如過充和緩慢下電等新問題。然而，通過深入理解其物理機制，并巧妙地運用高級元件選擇和設計技巧（如齊納二極管鉗位、肖特基鉗位或外部能量維持電路），這些挑戰(zhàn)都是可以被有效克服的。最終，一個成功的自舉電路設計，不僅是精確計算的結(jié)果，更是設計師對電路拓撲、器件物理特性以及系統(tǒng)級性能要求深刻理解的體現(xiàn)。

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