SGM48211 高壓半橋柵極驅動芯片共性問題及應對方案

應用筆記2024-03-25

作者：向華、潘怡晨、成紅玉
試讀：修貴東

摘要

在一些低成本的應用中，為了取代隔離驅動，自舉式電源成為一種廣泛的給高壓柵極驅動電路供電的方法。這種自舉式電源具有電路簡單、成本低的優點。高壓半橋柵極驅動廣泛應用于各種常見電路拓撲中，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。本應用指南以SGM48211為例，分析高壓半橋柵極驅動芯片的共性問題，并給出應對措施。

1. 柵極驅動器簡介

柵極驅動器用于在低壓控制信號和高功率半導體開關（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，以有效地開啟和關斷功率半導體器件。

柵極驅動器具有信號放大、隔離、保護機制。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，為功率半導體器件提供所需的柵源電壓（V_GS）。隔離功能確保控制電路和功率半導體之間的電氣隔離，防止電壓反饋或接地環路問題。保護功能包括過流和過壓保護、短路保護和欠壓鎖定等，以保護柵極驅動器本身和所連接的半導體器件。此外，柵極驅動器還包含一種控制死區時間的功能，以避免直通電流。在半橋或全橋配置中，死區時間控制確保高側和低側開關不會同時打開，從而防止器件損壞。

2. SGM48211高壓半橋柵極驅動芯片

2.1 主要優勢

圣邦微電子推出的SGM48211系列120V高壓半橋柵極驅動產品，提供4A拉電流和4A灌電流輸出能力；能夠以最小的開關損耗驅動大功率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；強魯棒性；高側、低側兩個通道完全獨立，且彼此的導通和關斷之間存在2.5ns（典型值）延遲匹配；驅動器內部具備欠壓鎖定保護功能防止故障；HS引腳抗負壓能力強；HS引腳抗dv/dt噪聲能力強；內置自舉二極管。該器件可應用于電信，數據通信，便攜式存儲的48V或更低電壓系統中的電源轉換器，半橋、全橋、推挽、同步降壓，正激變換器和同步整流器等方面。

2.2 拓撲結構

SGM48211包含了耐高壓的高邊驅動電路和低邊驅動電路，其中高邊驅動電路包含高壓電平轉移電路和高壓浮動驅動電路。其內部結構如圖2所示，具體主要有以下幾個組成部分：

脈沖發生器：在輸入信號的上升沿和下降沿產生脈沖信號；
電平轉移電路：將以VSS為參考的信號轉換為以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導通時對自舉電容進行充電。通過電平轉換電路，使相對于地（VSS）的HI信號轉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；
欠壓鎖定保護裝置：在VDD電壓低于UVLO閾值時不輸出信號。

2.3 工作原理

SGM48211內部集成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計并減小PCB尺寸。如圖3所示，當上管Q1關斷，下管Q2導通時，HS引腳電壓低于電源電壓VDD，VDD通過自舉二極管D_BOOT對自舉電容C_BOOT進行充電，在自舉電容兩端產生V_BS電壓；當下管Q2關斷，上管Q1導通時，驅動芯片內部上管MOS導通，由自舉電容兩端懸浮電壓V_BS支持HO相對HS的開關。隨著上管Q1導通，HS高壓時自舉二極管處于反偏，V_BS和電源VDD被隔離開。

3 共性問題及應對方案

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

3.1 自舉電容CBOOT的選取

在電路設計之初，需要特別注意的是自舉電容C_BOOT的選取，不能過小，亦不能過大。當下管Q2導通，HS電壓低于電源電壓V_DD，自舉電容C_BOOT會被充電。自舉電容僅在上管Q1導通時放電，給高端電路提供電源VBS。選取C_BOOT，首先要考慮的參數是上管Q1導通時，自舉電容允許的最大電壓降。如果C_BOOT容值選擇過小，會出現如圖4所示的現象，由于CBOOT上存儲的電荷不足，V_HB-V_HS 的電壓跌落至低于驅動芯片HB的UVLO閾值，從而觸發驅動芯片欠壓鎖定保護，導致HO無輸出，上管Q1無法導通。

根據驅動芯片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靜態電流；tON是上管Q1導通時間；VF是自舉二極管DBOOT的正向導通壓降；VHB,OFF是驅動芯片VHB的下降UVLO閾值。

從式（1）可見，隨著Q_G增大，自舉電容C_BOOT的取值也需要增大，C_BOOT增大會導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的內部，集成的自舉二極管的Die面積有限，散熱能力有限。C_BOOT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內部自舉二極管充電時的峰值電流波形：C_BOOT = 680nF，D_BOOT峰值電流為10.7A。

可見，C_BOOT的容值如果選擇過大，會導致自舉二極管存在損壞的風險。實際應用中，推薦 CBOOT 取值不大于 1μF。當 MOSFET 柵極電荷 QG 較大，CBOOT取值必須大于 1μF 時，為了保護SGM48211內部自舉二極管，可以選擇在C_BOOT處串聯一個自舉電阻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V_DD = 12V，C_BOOT = 680nF，R_BOOT = 1Ω條件下對SGM48211內部自舉二極管耐峰值電流能力進行測試，結果與圖5（b）對比，D_BOOT峰值電流從10.7A降至5.5A。

但是，自舉電阻不可過大，否則會增加V_BS時間常數。下管Q2的最低導通時間，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。該時間常數取決于自舉電阻，自舉電容和開關器件的占空比，可由下式（2）求得。

式中，RBOOT是自舉電阻；C_BOOT是自舉電容；D是占空比。

當C_BOOT串聯自舉電阻，需要考慮自舉電阻帶來的一個額外的電壓降：

式中， Q_CHARGE是自舉電容充電總電荷；t_CHARGE是自舉電容充電時間，即下管Q2導通時間；R_BOOT是自舉電阻。

3.2 HS引腳負壓di/dt噪聲

3.2.1 HS引腳產生負壓的原因

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導通時，電流經過上管流過負載電感，如圖7（a）所示；上管Q1關斷換流時，續流電流經過下管Q2的體二極管流過負載電感，該電流會在LS1、LS2等寄生電感上產生電壓，從而導致HS引腳處產生低于地線電壓的負壓，如圖7（b）所示。該負電壓的大小正比于寄生電感的大小和開關器件的電流關斷速度di/dt，如式（4）所示，其中di/dt由柵極驅動電阻RG和開關器件的輸入電容C_ISS決定。