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自舉電路在高壓柵極驅(qū)動應(yīng)用中扮演著關(guān)鍵角色，它能提供穩(wěn)定的高端驅(qū)動電壓，提高功率開關(guān)的效率和可靠性。在設(shè)計自舉電路時，自舉電容的選型至關(guān)重要，它的容值大小、耐壓要求及其與電路的匹配程度，都會影響驅(qū)動電路的性能。

一、自舉電路的基本工作原理

自舉電路廣泛應(yīng)用于高壓柵極驅(qū)動電路，特別是在使用N溝道MOSFET或IGBT作為高端開關(guān)的情況下。由于MOSFET或IGBT的柵極需要一個高于源極的驅(qū)動電壓（通常為VDD + 10V~15V），直接使用單一電源難以實現(xiàn)，而自舉電路通過周期性充電和放電提供高端開關(guān)所需的偏置電壓。

當(dāng)?shù)投薓OSFET導(dǎo)通時，自舉電容（CBOOT）通過自舉二極管（DBOOT）從VDD電源充電；當(dāng)?shù)投薓OSFET關(guān)斷并且高端MOSFET導(dǎo)通時，CBOOT則作為浮動電源，向高端MOSFET的柵極提供驅(qū)動電壓。這一過程在每個開關(guān)周期內(nèi)重復(fù)發(fā)生，確保高端開關(guān)能夠可靠工作。

二、選擇自舉電容的關(guān)鍵參數(shù)

1. 電容值的計算

自舉電容的主要作用是在高端MOSFET導(dǎo)通時提供柵極驅(qū)動電流，因此它必須存儲足夠的電荷，以保證柵極電壓不下降到影響正常工作的程度。最小的自舉電容值可通過以下公式計算：

CBOOT = QTOTAL / ΔV

其中：

- QTOTAL：驅(qū)動高端 MOSFET 所需的總電荷，包括柵極電荷（QG）、驅(qū)動電路的靜態(tài)電流（IQBS）、器件的泄漏電流（ILK），以及電平轉(zhuǎn)換過程中消耗的電荷（QLS）。這些因素共同決定了自舉電容的充電需求，確保驅(qū)動電壓在高端開關(guān)導(dǎo)通時保持穩(wěn)定。

- ΔV：允許的最大電壓降，通常取1V。

例如，假設(shè)某個MOSFET的柵極電荷QG為98nC，IQBS為120µA，ILK為50µA，高端開關(guān)的導(dǎo)通時間為25µs（占空比50%，開關(guān)頻率20kHz），則計算總電荷需求如下：

QTOTAL = QG + (IQBS + ILK) × tON = 98nC + (120µA + 50µA) × 25µs ≈ 101nC

如果允許的最大電壓降ΔV = 1V，則最小自舉電容為：

CBOOT = 101nC / 1V = 101nF

一般情況下，為了留有裕量，推薦使用100nF~570nF的電容。

2. 電容耐壓選擇

自舉電容的耐壓必須至少滿足其工作環(huán)境中的最高電壓。在開關(guān)過程中，CBOOT的兩端電壓為：

VCBOOT = VDD + VS（負壓峰值）

其中：

- VDD：驅(qū)動電源電壓，通常為15V。

- VS：開關(guān)節(jié)點電壓，可能存在寄生電感引起的負壓峰值。

如果VS的負峰值可能達到-10V，則自舉電容的最大耐壓應(yīng)至少為：

VCBOOT_MAX = 15V + 10V = 25V

因此，在實際應(yīng)用中，通常選擇耐壓為25V或更高的自舉電容，以避免過壓損壞。

3. 電容類型選擇

推薦使用低ESR（等效串聯(lián)電阻）和高頻特性優(yōu)良的陶瓷電容（X7R或X5R介質(zhì)）。相比電解電容或鉭電容，陶瓷電容具有更小的寄生電感和寄生電阻，能有效減少高頻噪聲，提高電路穩(wěn)定性。此外，低ESR能確保更好的瞬態(tài)響應(yīng)，減少充放電損耗。

三、自舉電容匹配電阻的選擇

在部分應(yīng)用中，為了限制CBOOT的充電電流，可能會在自舉二極管前串聯(lián)一個自舉電阻RBOOT，其值需適當(dāng)選擇，以確保CBOOT能夠及時充電，同時避免沖擊電流過大導(dǎo)致二極管損壞。

充電時間常數(shù)由以下公式確定：

τ = RBOOT × CBOOT

為了確保自舉電容能夠在每個周期內(nèi)完全充電，充電時間常數(shù)τ應(yīng)遠小于低端開關(guān)的導(dǎo)通時間tCHARGE。例如，如果低端開關(guān)導(dǎo)通時間為5µs，CBOOT = 100nF，則RBOOT的推薦值計算如下：

RBOOT < tCHARGE / CBOOT = 5µs / 100nF = 50Ω

一般推薦RBOOT取值在5Ω~10Ω，以兼顧充電時間與沖擊電流的平衡。

四、可能存在的問題及優(yōu)化措施

1. 自舉電容充電不足

表現(xiàn)： 高端MOSFET無法完全導(dǎo)通，導(dǎo)致效率下降或開關(guān)損耗增加。

原因： 自舉電容容量過小，或者自舉電阻過大，充電時間不足。

解決方案：

- 適當(dāng)增大CBOOT值，確保充電能力充足。

- 適當(dāng)降低RBOOT值，提高充電速率。

2. 負壓尖峰影響

表現(xiàn)： VS端可能產(chǎn)生過大的負電壓，影響驅(qū)動IC穩(wěn)定性。

原因： 寄生電感的影響導(dǎo)致電流突變。

解決方案：

- 在VS端和地之間并聯(lián)一個肖特基二極管進行鉗位。

- 調(diào)整柵極電阻RGATE，降低開關(guān)瞬變速率（di/dt）。

3. 過壓問題

表現(xiàn)： CBOOT電壓超過其額定耐壓，可能損壞電容。

解決方案：

- 選擇耐壓更高的自舉電容（至少2倍VDD）。

- 在CBOOT兩端增加齊納二極管，限制電壓幅值。

五、設(shè)計實例

以FAN7382驅(qū)動FCP20N60 MOSFET為例：

- 驅(qū)動電源VDD = 15V

- 柵極電荷QG = 98nC

- 允許的最大電壓降ΔV = 1V

- 推薦CBOOT = 100nF~470nF

- 推薦耐壓 ≥ 25V

- RBOOT 取值在5Ω~10Ω

結(jié)論

選擇合適的自舉電容是確保高壓柵極驅(qū)動電路穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。合理的CBOOT容量可以保證高端MOSFET獲得足夠的柵極驅(qū)動電壓，而合適的耐壓選擇能夠避免過壓損壞。此外，自舉電阻的配合設(shè)計也能有效改善充電效率，提升系統(tǒng)的可靠性。通過優(yōu)化這些參數(shù)，能夠顯著提高功率轉(zhuǎn)換效率，降低開關(guān)損耗，從而優(yōu)化整體電源系統(tǒng)的性能。