在一些低成本的應(yīng)用中，為了取代隔離驅(qū)動，自舉式電源成為一種廣泛的給高壓柵極驅(qū)動電路供電的方法。這種自舉式電源具有電路簡單、成本低的優(yōu)點。高壓半橋柵極驅(qū)動廣泛應(yīng)用于各種常見電路拓?fù)渲?，包括降壓電路、同步升壓電路、半橋電路、全橋電路和三相全橋電路等等。本?yīng)用指南以SGM48211為例，分析高壓半橋柵極驅(qū)動芯片的共性問題，并給出應(yīng)對措施。

01柵極驅(qū)動器簡介

柵極驅(qū)動器用于在低壓控制信號和高功率半導(dǎo)體開關(guān)（如MOSFET和IGBT）之間提供接口，如圖1所示，輸出必要的電壓和電流值，以有效地開啟和關(guān)斷功率半導(dǎo)體器件。

圖1 用柵極驅(qū)動器驅(qū)動功率晶體管

柵極驅(qū)動器具有信號放大、隔離、保護(hù)機(jī)制。信號放大功能將來自微控制器或其他控制電路的控制信號放大，為功率半導(dǎo)體器件提供所需的柵源電壓（VGS）。隔離功能確?？刂齐娐泛凸β拾雽?dǎo)體之間的電氣隔離，防止電壓反饋或接地環(huán)路問題。保護(hù)功能包括過流和過壓保護(hù)、短路保護(hù)和欠壓鎖定等，以保護(hù)柵極驅(qū)動器本身和所連接的半導(dǎo)體器件。此外，柵極驅(qū)動器還包含一種控制死區(qū)時間的功能，以避免直通電流。在半橋或全橋配置中，死區(qū)時間控制確保高側(cè)和低側(cè)開關(guān)不會同時打開，從而防止器件損壞。

02SGM48211高壓半橋柵極驅(qū)動芯片

2.1 主要優(yōu)勢

圣邦微電子推出的SGM48211系列120V高壓半橋柵極驅(qū)動產(chǎn)品，提供4A拉電流和4A灌電流輸出能力；能夠以最小的開關(guān)損耗驅(qū)動大功率MOSFET；電源引腳VDD運行范圍8V至17V（絕對最大值20V）；輸入引腳耐壓為-10V至20V；強(qiáng)魯棒性；高側(cè)、低側(cè)兩個通道完全獨立，且彼此的導(dǎo)通和關(guān)斷之間存在2.5ns（典型值）延遲匹配；驅(qū)動器內(nèi)部具備欠壓鎖定保護(hù)功能防止故障；HS引腳抗負(fù)壓能力強(qiáng)；HS引腳抗dv/dt噪聲能力強(qiáng)；內(nèi)置自舉二極管。該器件可應(yīng)用于電信，數(shù)據(jù)通信，便攜式存儲的48V或更低電壓系統(tǒng)中的電源轉(zhuǎn)換器，半橋、全橋、推挽、同步降壓，正激變換器和同步整流器等方面。

表1 SGM48211的主要優(yōu)勢

2.2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

SGM48211包含了耐高壓的高邊驅(qū)動電路和低邊驅(qū)動電路，其中高邊驅(qū)動電路包含高壓電平轉(zhuǎn)移電路和高壓浮動驅(qū)動電路。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，具體主要有以下幾個組成部分：

脈沖發(fā)生器：在輸入信號的上升沿和下降沿產(chǎn)生脈沖信號；

電平轉(zhuǎn)移電路：將以VSS為參考的信號轉(zhuǎn)換為以HS為參考的信號；

緩沖器：放大輸入信號；

自舉二極管：在下管Q2導(dǎo)通時對自舉電容進(jìn)行充電。通過電平轉(zhuǎn)換電路，使相對于地（VSS）的HI信號轉(zhuǎn)換為同步的相對于懸浮地（HS）的HO信號，從而控制上管Q1的開關(guān)；

欠壓鎖定保護(hù)裝置：在VDD電壓低于UVLO閾值時不輸出信號。

圖2 高壓半橋柵極驅(qū)動芯片拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.3 工作原理

SGM48211內(nèi)部集成120V額定電壓的自舉二極管，可以幫助客戶省卻二極管電路設(shè)計并減小PCB尺寸。如圖3所示，當(dāng)上管Q1關(guān)斷，下管Q2導(dǎo)通時，HS引腳電壓低于電源電壓VDD，VDD通過自舉二極管DBOOT對自舉電容CBOOT進(jìn)行充電，在自舉電容兩端產(chǎn)生VBS電壓；當(dāng)下管Q2關(guān)斷，上管Q1導(dǎo)通時，驅(qū)動芯片內(nèi)部上管MOS導(dǎo)通，由自舉電容兩端懸浮電壓VBS支持HO相對HS的開關(guān)。隨著上管Q1導(dǎo)通，HS高壓時自舉二極管處于反偏，VBS和電源VDD被隔離開。

（a）Q1關(guān)斷，Q2導(dǎo)通

（b）Q1導(dǎo)通，Q2關(guān)斷

圖3 自舉電路工作原理

03共性問題及應(yīng)對方案

接下來，以SGM48211為例，探討一下在使用高壓半橋柵極驅(qū)動產(chǎn)品過程中會遇到的各類問題及應(yīng)對方案。

3.1 自舉電容CBOOT的選取

在電路設(shè)計之初，需要特別注意的是自舉電容CBOOT的選取，不能過小，亦不能過大。當(dāng)下管Q2導(dǎo)通，HS電壓低于電源電壓VDD，自舉電容CBOOT會被充電。自舉電容僅在上管Q1導(dǎo)通時放電，給高端電路提供電源VBS。選取CBOOT，首先要考慮的參數(shù)是上管Q1導(dǎo)通時，自舉電容允許的最大電壓降。如果CBOOT容值選擇過小，會出現(xiàn)如圖4所示的現(xiàn)象，由于CBOOT上存儲的電荷不足，VHB-VHS的電壓跌落至低于驅(qū)動芯片HB的UVLO閾值，從而觸發(fā)驅(qū)動芯片欠壓鎖定保護(hù)，導(dǎo)致HO無輸出，上管Q1無法導(dǎo)通。

（a）CBOOT適合

（b）CBOOT過小

圖4 CBOOT容值選取的影響

根據(jù)驅(qū)動芯片HB的UVLO值，可由式（1）求得CBOOT的最小值。

式中，QG是功率管的柵極總電荷量；IBL是HB對地漏電流；IRGS是流入柵極-源極電阻器的電流；IQBS是HB至HS靜態(tài)電流；tON是上管Q1導(dǎo)通時間；VF是自舉二極管DBOOT的正向?qū)▔航担籚HB,OFF是驅(qū)動芯片VHB的下降UVLO閾值。

從式（1）可見，隨著QG增大，自舉電容CBOOT的取值也需要增大，CBOOT增大會導(dǎo)致自舉二極管瞬時充電電流增大。需要特別注意的是，由于自舉二極管是集成在SGM48211的內(nèi)部，集成的自舉二極管的Die面積有限，散熱能力有限。CBOOT充電電流超出自舉二極管散熱能力時，可能會燒毀自舉二極管。圖5（b）中所示為在VDD= 12V條件下對SGM48211內(nèi)部自舉二極管充電時的峰值電流波形：CBOOT= 680nF，DBOOT峰值電流為10.7A。

（a）無串聯(lián)自舉電阻

（b）自舉二極管充電電流

圖5 CBOOT無串聯(lián)自舉電阻時自舉二極管充電電流波形

可見，CBOOT的容值如果選擇過大，會導(dǎo)致自舉二極管存在損壞的風(fēng)險。實際應(yīng)用中，推薦CBOOT取值不大于1μF。當(dāng)MOSFET柵極電荷QG較大，CBOOT取值必須大于1μF時，為了保護(hù)SGM48211內(nèi)部自舉二極管，可以選擇在CBOOT處串聯(lián)一個自舉電阻RBOOT（典型值1Ω至10Ω）來限制自舉電容的充電電流，如圖6（a）所示。如圖6（b）所示，在VDD= 12V，CBOOT= 680nF，RBOOT= 1Ω條件下對SGM48211內(nèi)部自舉二極管耐峰值電流能力進(jìn)行測試，結(jié)果與圖5（b）對比，DBOOT峰值電流從10.7A降至5.5A。

（a）串聯(lián)自舉電阻

（b）自舉二極管充電電流

圖6 CBOOT串聯(lián)自舉電阻RBOOT時自舉二極管充電電流波形

但是，自舉電阻不可過大，否則會增加VBS時間常數(shù)。下管Q2的最低導(dǎo)通時間，即給自舉電容充電或刷新電荷的時間，必須匹配這個時間常數(shù)。該時間常數(shù)取決于自舉電阻，自舉電容和開關(guān)器件的占空比，可由下式（2）求得。

式中，RBOOT是自舉電阻；CBOOT是自舉電容；D是占空比。

當(dāng)CBOOT串聯(lián)自舉電阻，需要考慮自舉電阻帶來的一個額外的電壓降：

式中， QCHARGE是自舉電容充電總電荷；tCHARGE是自舉電容充電時間，即下管Q2導(dǎo)通時間；RBOOT是自舉電阻。

3.2 HS引腳負(fù)壓di/dt噪聲

3.2.1 HS引腳產(chǎn)生負(fù)壓的原因

由于實際電路中存在上下管功率器件的封裝電感和電路板走線的寄生電感，上管Q1導(dǎo)通時，電流經(jīng)過上管流過負(fù)載電感，如圖7（a）所示；上管Q1關(guān)斷換流時，續(xù)流電流經(jīng)過下管Q2的體二極管流過負(fù)載電感，該電流會在LS1、LS2等寄生電感上產(chǎn)生電壓，從而導(dǎo)致HS引腳處產(chǎn)生低于地線電壓的負(fù)壓，如圖7（b）所示。該負(fù)電壓的大小正比于寄生電感的大小和開關(guān)器件的電流關(guān)斷速度di/dt，如式（4）所示，其中di/dt由柵極驅(qū)動電阻RG和開關(guān)器件的輸入電容CISS決定。

式中，VF是下管Q2的體二極管正向?qū)▔航怠?/p>

（a）Q1導(dǎo)通，Q2關(guān)斷

（b）Q1關(guān)斷，Q2續(xù)流

圖7 高壓半橋柵極驅(qū)動芯片應(yīng)用電路及波形

3.2.2 HS引腳負(fù)壓的影響

1) 觸發(fā)latch up導(dǎo)致芯片輸出邏輯異常

一般在半橋驅(qū)動芯片規(guī)格書中規(guī)定了最大的HS與VSS之間的負(fù)壓和推薦的工作條件。由于芯片內(nèi)部含有寄生的二極管及l(fā)atch up機(jī)制，當(dāng)HS負(fù)壓過大時，會導(dǎo)致芯片損壞或邏輯異常。

2) HB-HS過壓導(dǎo)致芯片損壞

HB-HS引腳兩端最大電壓VHB-VHS=VDD-VF-VHS，HS引腳瞬間負(fù)壓過大會導(dǎo)致HB-HS兩端的電壓超過最大耐壓值，從而導(dǎo)致驅(qū)動芯片過壓損壞。

（a）Bootstrap電路

（b）瞬態(tài)負(fù)壓波形

圖8 自舉（Bootstrap）電路與HB、HS引腳瞬態(tài)負(fù)壓波形

3.2.3 HS引腳負(fù)壓的應(yīng)對方案

1) 優(yōu)化布局，減少寄生電感

半橋電路的兩個功率管盡可能靠近放置，它們之間連線盡可能短粗；驅(qū)動芯片盡量靠近功率管，減少驅(qū)動回路的走線；使用低寄生電感的驅(qū)動電阻；使用低寄生電感的瓷片電容作為自舉電容CBOOT，同時CBOOT盡量靠近驅(qū)動芯片引腳；退耦電容盡量靠近驅(qū)動芯片引腳，如圖9所示。

圖9 布局注意事項

2) 降低功率管的開關(guān)速度

增大驅(qū)動電阻（注意：這種方法會增加功率管開關(guān)損耗）或外加緩沖電路，降低功率管的開關(guān)速度，從而降低開關(guān)時的電流變化率di/dt。

3) 增加低正向?qū)▔航档?a target="_blank">肖特基二極管

在HS和VSS之間增加一個低正向?qū)▔航档男ぬ鼗O管，能夠快速將HS引腳負(fù)壓鉗位到-0.7V左右，如圖10所示。

（a）增加鉗位二極管電路

（b）HS引腳電壓波形

圖10 增加鉗位二極管電路及HS引腳電壓波形

4) HS與SW引腳之間串聯(lián)電阻

在HS與SW間串聯(lián)一個電阻RVS，如圖11所示，可以降低SW傳遞到HS引腳的負(fù)壓值。RVS作為驅(qū)動電阻起到限制上管Q1的開通速度和關(guān)斷速度的作用，也可以作為自舉電阻限制CBOOT的充電電流，還限制了在上管Q1源極的電壓負(fù)向瞬態(tài)時肖特基二極管的電流。

圖11 串聯(lián)電阻RVS電路

3.3 HS引腳dv/dt噪聲

3.3.1 HS引腳產(chǎn)生dv/dt噪聲的原因

當(dāng)下管Q2關(guān)斷，上管Q1導(dǎo)通時，電流經(jīng)過上管流過負(fù)載電感及電容，此時HS引腳處產(chǎn)生的電壓從0V升至VBUS，即產(chǎn)生正向dv/dt噪聲，如圖12所示。

圖12 高壓半橋柵極驅(qū)動芯片產(chǎn)生正向dv/dt噪聲示意圖

3.3.2 HS引腳dv/dt噪聲的影響

1) 高側(cè)電路邏輯信號錯誤

由于CBOOT，HS引腳的正向dv/dt噪聲會耦合到HB點，可能會影響高側(cè)電路的邏輯信號。

2) 低側(cè)功率管Q2誤導(dǎo)通

如圖13所示，當(dāng)上管Q1導(dǎo)通，下管Q2關(guān)斷時，VDS_Q2從0V上升至VBUS。此時，有電流igd_L流經(jīng)寄生電容CGD、驅(qū)動電阻和電感（藍(lán)色虛線標(biāo)記），從而使得寄生電容CGS兩端產(chǎn)生電壓差VGS_Q2，出現(xiàn)正向電壓尖峰，導(dǎo)致下管Q2誤導(dǎo)通。

圖13 正向dv/dt噪聲的影響

3.3.3 HS引腳dv/dt噪聲的應(yīng)對方案

1) 減小寄生電感

布局需緊湊，并采用開爾文連接方式，確保兩個功率晶體管之間的連接應(yīng)盡量短而粗；采用具有低寄生電感的陶瓷電容器。

2) 改變功率管的開關(guān)速度

增大上管Q1的柵極電阻Rgate，降低上管Q1的開通和關(guān)斷速度，從而降低dv/dt。

3) 負(fù)電壓關(guān)斷

通過在下管Q2的柵極增加一個負(fù)壓驅(qū)動電路，使得Q2能夠負(fù)電壓關(guān)斷，即使產(chǎn)生寄生電壓也不會超過Q2的開通閾值，從而避免下管Q2誤導(dǎo)通。負(fù)壓驅(qū)動電路如圖14所示。

圖14 負(fù)壓驅(qū)動電路

04附錄

表2 圣邦微電子高壓半橋柵極驅(qū)動芯片系列產(chǎn)品

參考資料

[1] SG Micro Corp. SGM48211 Datasheet [EB/OL]. (2024-01). https://www.sg-micro.com/uploads/soft/20240106/1704525865.pdf.

[2] 高壓柵極驅(qū)動IC 自舉電路的設(shè)計與應(yīng)用指南[EB/OL]. (2022-12-13). https://mp.weixin.qq.com/s/P9zuyPt4zzcKwwl-dE_DTA.

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