Bootstrap Circuit 自举供电

功率级L1别名 Bootstrap · 自举电路 · Cboot · High-Side Driver · bootstrap diode · 半桥供电

本质与导读

本质 Bootstrap 用 1 个二极管 + 1 个电容廉价替代隔离电源,给浮动的 High-Side MOSFET 提供相对源极的 +Vcc 栅驱电压;代价是 Cboot 必须周期性刷新,故最大占空比 ~98%、不能 100% Duty 或长时间 High-Side 持续 ON——这也是车规高压主驱改用隔离 DC-DC 的原因。

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1. 为什么 High-Side 需要浮动供电

半桥结构:Vbus → High-Side MOSFET (HSS) → 中点 (VS) → Low-Side MOSFET (LSS) → GND。

问题:HSS 的 source 是 VS 节点,VS 在 0 和 Vbus 之间切换 (典型 Vbus = 400V/800V)。

驱动电压要求:Vgs 必须相对 source 大约 +12V (Si 标准) 或 +20V/-3V (SiC)。所以 HSS 的栅极在 ON 时电压 = Vbus + 12V (绝对电位),需要一个电源相对 VS 浮动。

两种解决方案:

Bootstrap (廉价):1 D + 1 C
隔离 DC-DC (可靠):1W 隔离电源 (Murata MGJ2 / Recom RKZ1212)

2. Bootstrap 工作原理

Bootstrap 的核心是用 D + Cboot 在 LSS 充电、HSS 放电的两阶段循环里给高端浮动电源:

Bootstrap 电路 — D + Cboot 实现 High-Side 浮动供电

两阶段循环:

2.1 LSS ON 阶段 (Cboot 充电)

LSS 导通时 VS 接地,Vcc 通过 Dboot 给 Cboot 充电至 Vcc − VF:

LSS 导通 → VS 节点 ≈ 0V (接地)
Vcc (典型 12V) 通过 Dboot 给 Cboot 充电
Cboot 充到 $V cc - V F$ (二极管压降)
HSS 关断 (栅极电压相对 VS = 0)

2.2 HSS ON 阶段 (Cboot 浮动放电)

HSS 导通时 VS = Vbus,Cboot 整体浮动到 Vbus 之上,通过 Driver 给 HSS 栅极保持 +Vcc:

HSS 导通 → VS 节点 = Vbus (例 400V)
Dboot 反偏阻断 (Cboot 不会反向放电)
Cboot 浮动到 (Vbus + Vcc - VF) → 上端电位 = Vbus + 12V
Cboot 通过 Driver IC 给 HSS 栅极提供 +Vcc → HSS 维持 ON

关键认知:Cboot 在每个开关周期被"刷新"——所以最大占空比 D ≤ 98% (必须给 LSS 留至少 2% 时间充 Cboot)。

3. Cboot 选型公式

Cboot 必须够大让 HSS 在整个 ON 时间内电压跌落 < ΔV:

C b oo t \geq \frac{Q g + ( I l e ak + I d r v ) \cdot T o n}{Δ V}

参数:

$Q g$ = HSS 栅极总电荷 (driver 充栅极消耗)
$I l e ak$ = Dboot 反向漏电 + Driver IC 静态电流
$I d r v$ = Driver IC quiescent 电流
$T o n$ = HSS 最大 ON 时间 (Dmax / fsw)
$Δ V$ = 允许 Cboot 跌落 (典型 1V 即 Vcc 的 10%)

实例 (12V/3A Buck @ 300kHz, Dmax=0.5, HSS Qg=20nC, $I l e ak + I d r v$ =100μA):

$T o n = 0.5/300 k = 1.67 μ s$
$C b oo t = (20 n C + 100 μ A \times 1.67 μ s) /1 V = 20 n C /1 V \approx 22 n F$
典型选 100 nF 留 5× 裕度

实操经验:Cboot 常用 100 nF - 1 μF,陶瓷电容 (X7R, 25V/35V 耐压)。

4. Dboot 二极管选型

Dboot 4 个核心约束 — 反向耐压挡 Vbus / 正向压降影响 Cboot 电压 / 反向恢复防 ringing / 正向电流支持充电脉冲:

参数	选型
耐压 $V R$	≥ Vbus + Vcc + 裕度 (典型 400V Bus → 600V 二极管)
正向压降 $V F$	越低越好 (减少 Cboot 电压损失);典型 0.6V
反向恢复 $T rr$	快恢复 < 50 ns (避免 HSS ON 瞬间反向电流)
正向电流 $I F$	> $I b oo t, p e ak$ (Cboot 充电峰值,典型 100 mA-1A)

典型选型:

低压 (< 60V):BAS21 (small signal)、BAT54 (肖特基)
中压 (60-200V):ES1D、UF4007 (UF)、ER1G
高压 (400-1200V):BYG20G、Cree C3D04060 (SiC SBD)

车规:用快恢复硅二极管 (BYG20G-AQ AEC-Q101)。SiC SBD 在 800V 半桥应用流行。

5. 集成 Bootstrap (Half-Bridge Driver IC)

现代半桥 Driver IC 内置 Bootstrap Diode——Cboot 还是外置:

Driver IC	厂家	特性
IR2110	Infineon	经典老 IC,500V High-Side
UCC27201	TI	120V 半桥
L6390	ST	600V 半桥 (车规)
BD2231NJX-LB	ROHM	600V 集成 Dboot
SI8230BD	Skyworks	隔离半桥,无需 Bootstrap

集成优势:省一个外置 Dboot,布局更简。集成缺陷:内置 Dboot 电流能力有限 (典型 200mA),功率太大需外置 Dboot。

6. Bootstrap 局限性

Bootstrap 有 4 个硬约束——不满足这些场景必须用隔离 DC-DC:

6.1 D = 100% 不可工作

100% Duty (HSS 持续 ON) → Cboot 永远不刷新 → 一段时间后电压跌到 UVLO → HSS 关断。

最大占空比典型 95-98%——具体看 Cboot 容量 + 漏电流。

6.2 SiC Negative Bias 难

SiC 标准驱动 +20V/-3V (负压关断防误开)。Bootstrap 只能提供单极性 +Vcc → SiC 通常用隔离 DC-DC + 双极性驱动。

6.3 长时间 HSS ON

电机驱动起动 / DC 应用 → HSS 长时间 ON → Cboot 跌落 → 失效。解决:周期性强制 LSS ON 刷新 (refresh pulse)。

6.4 高 Vbus (≥ 1000V)

Vbus 高 → Dboot 反向耐压要求高 → 选型受限 + 漏电流大。1200V SiC 半桥多用隔离 DC-DC。

7. Bootstrap vs 隔离 DC-DC 对比

Bootstrap vs 隔离 DC-DC 是工程选择第一道分水岭 — 消费/低压选 Bootstrap 省成本,车规/SiC 选隔离 DC-DC:

维度	Bootstrap	隔离 DC-DC
成本	低 ($0.1)	高 ($3-10)
体积	小	大
D = 100%	❌	✓
SiC 负压	❌	✓
长时间 HSS ON	❌ (需 refresh)	✓
1200V+ Vbus	困难	✓
隔离强度	弱 (Dboot 击穿)	强 (3 kVrms)
故障耐受	中等	高
车规主驱	❌	✓

关键判别:

消费 + 工业 + 中低压 (< 100V) + D < 90% → Bootstrap
车规高压 + SiC + D 任意 → 隔离 DC-DC

8. 死区时间 (Dead Time) 与 Bootstrap

半桥 死区时间 = HSS 和 LSS 都 OFF 的时间窗口,防止 shoot-through:

典型 100-300 ns (Si),50-100 ns (SiC/GaN)

Bootstrap 死区设计:

死区 < 5 μs (典型) → Cboot 不会显著放电
死区 > 50 μs → Cboot 可能跌落 → 引入 UVLO

实操:Driver IC 内置死区生成 (固定或可调),典型 IR2110 死区固定 100 ns,UCC27201 可调。

9. Bootstrap 故障模式

5 个常见 bootstrap 故障 — Cboot 不充足 / 过冲 / 跌落到 UVLO / Dboot 击穿 / 死区过长,对症修复都不复杂但必须先识别现象:

故障	现象	根因	修复
Cboot 充不到 Vcc	HSS 不开通	Dboot 反偏 + LSS 占空比太小	增大 LSS 时间 / 增加 Cboot
Cboot 过冲	Cboot 超 25V → 击穿	LSS dV/dt 太快 → 反电流冲击	加 RC 限流 in series with Dboot
HSS 不可靠开通	间歇性失败	Vboot 跌落到 UVLO	加大 Cboot + 检查 leakage
Dboot 反向击穿	Vbus 异常 → Vboot 异常	Dboot 耐压不够	升级二极管
死区过长导致跌落	重载下 HSS 失效	LSS 占空比不足	软件 refresh pulse 或换隔离 DC-DC

10. 5 个常见陷阱

Bootstrap 设计 失败模式集中在 5 个反复出现的坑:

陷阱	描述	预防
Cboot 太小	HSS Qg 大或 Dmax 大,Cboot 跌落	计算公式 + 5× 裕度
Dboot 不快	反向恢复慢 → 反电流冲击 → 烧	选 UF / SBD, $T rr$ < 50ns
100% Duty 用 Bootstrap	DC 应用直接选 Bootstrap → 失效	DC 应用必用隔离 DCDC
SiC 负压用 Bootstrap	SiC + Bootstrap → 单极性 → 误开通	SiC 用隔离 DCDC + 双极性驱动
高压无 SiC SBD	800V Bus 用普通 UF4007 → 漏电大	高压用 SiC SBD

核心要点

Bootstrap = 1 D + 1 C 廉价 High-Side 供电方案——LSS ON 时充电,HSS ON 时浮动放电。
最大占空比 ~95-98%——不能 100% Duty,不能长时间 HSS 持续 ON。
$C b oo t$ 公式: $Q g + I l e ak \cdot T o n$ 决定大小,典型 100 nF - 1 μF。
$D b oo t$ 必须快恢复 ( $T rr$ < 50 ns) 且耐压 ≥ Vbus + Vcc。
4 个不适用场景:100% Duty / SiC 负压 / 长时间 HSS ON / 1200V+ Vbus。
车规高压主驱用隔离 DC-DC,不用 Bootstrap——可靠性 + SiC 负压。
现代半桥 Driver IC 内置 Dboot——简化 PCB,但电流能力有限。
故障模式 5 类:Cboot 小、Dboot 慢、100% Duty 误用、SiC 误用、高压 D 选错。

Cross-references

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栅极驱动 — 总览
栅极驱动 IC — Driver IC 选型
栅极驱动基础 — 隔离/非隔离
L6390 半桥驱动 — 集成 Bootstrap 实例
GaN Power Stage 设计 — GaN bootstrap 设计
MOSFET 栅极充电 — Qg 计算
多相 Buck — DrMOS 内置 Bootstrap