SGM48211 高压半桥栅极驱动芯片共性问题及应对方案

应用笔记2024-03-25

作者：向华、潘怡晨、成红玉

摘要

在一些低成本的应用中，为了取代隔离驱动，自举式电源成为一种广泛的给高压栅极驱动电路供电的方法。这种自举式电源具有电路简单、成本低的优点。高压半桥栅极驱动广泛应用于各种常见电路拓扑中，包括降压电路、同步升压电路、半桥电路、全桥电路和三相全桥电路等等。本应用指南以SGM48211为例，分析高压半桥栅极驱动芯片的共性问题，并给出应对措施。

1. 栅极驱动器简介

栅极驱动器用于在低压控制信号和高功率半导体开关（如MOSFET和IGBT）之间提供接口，如图1所示，输出必要的电压和电流值，以有效地开启和关断功率半导体器件。

栅极驱动器具有信号放大、隔离、保护机制。信号放大功能将来自微控制器或其他控制电路的控制信号放大，为功率半导体器件提供所需的栅源电压（V_GS）。隔离功能确保控制电路和功率半导体之间的电气隔离，防止电压反馈或接地环路问题。保护功能包括过流和过压保护、短路保护和欠压锁定等，以保护栅极驱动器本身和所连接的半导体器件。此外，栅极驱动器还包含一种控制死区时间的功能，以避免直通电流。在半桥或全桥配置中，死区时间控制确保高侧和低侧开关不会同时打开，从而防止器件损坏。

2. SGM48211高压半桥栅极驱动芯片

2.1 主要优势

圣邦微电子推出的SGM48211系列120V高压半桥栅极驱动产品，提供4A拉电流和4A灌电流输出能力；能够以最小的开关损耗驱动大功率MOSFET；电源引脚VDD运行范围8V至17V（绝对最大值20V）；输入引脚耐压为-10V至20V；强鲁棒性；高侧、低侧两个通道完全独立，且彼此的导通和关断之间存在2.5ns（典型值）延迟匹配；驱动器内部具备欠压锁定保护功能防止故障；HS引脚抗负压能力强；HS引脚抗dv/dt噪声能力强；内置自举二极管。该器件可应用于电信，数据通信，便携式存储的48V或更低电压系统中的电源转换器，半桥、全桥、推挽、同步降压，正激变换器和同步整流器等方面。

2.2 拓扑结构

SGM48211包含了耐高压的高边驱动电路和低边驱动电路，其中高边驱动电路包含高压电平转移电路和高压浮动驱动电路。其内部结构如图2所示，具体主要有以下几个组成部分：

脉冲发生器：在输入信号的上升沿和下降沿产生脉冲信号；
电平转移电路：将以VSS为参考的信号转换为以HS为参考的信号；
缓冲器：放大输入信号；
自举二极管：在下管Q2导通时对自举电容进行充电。通过电平转换电路，使相对于地（VSS）的HI信号转换为同步的相对于悬浮地（HS）的HO信号，从而控制上管Q1的开关；
欠压锁定保护装置：在VDD电压低于UVLO阈值时不输出信号。

2.3 工作原理

SGM48211内部集成120V额定电压的自举二极管，可以帮助客户省却二极管电路设计并减小PCB尺寸。如图3所示，当上管Q1关断，下管Q2导通时，HS引脚电压低于电源电压VDD，VDD通过自举二极管D_BOOT对自举电容C_BOOT进行充电，在自举电容两端产生V_BS电压；当下管Q2关断，上管Q1导通时，驱动芯片内部上管MOS导通，由自举电容两端悬浮电压V_BS支持HO相对HS的开关。随着上管Q1导通，HS高压时自举二极管处于反偏，V_BS和电源VDD被隔离开。

3 共性问题及应对方案

接下来，以SGM48211为例，探讨一下在使用高压半桥栅极驱动产品过程中会遇到的各类问题及应对方案。

3.1 自举电容CBOOT的选取

在电路设计之初，需要特别注意的是自举电容C_BOOT的选取，不能过小，亦不能过大。当下管Q2导通，HS电压低于电源电压V_DD，自举电容C_BOOT会被充电。自举电容仅在上管Q1导通时放电，给高端电路提供电源VBS。选取C_BOOT，首先要考虑的参数是上管Q1导通时，自举电容允许的最大电压降。如果C_BOOT容值选择过小，会出现如图4所示的现象，由于CBOOT上存储的电荷不足，V_HB-V_HS 的电压跌落至低于驱动芯片HB的UVLO阈值，从而触发驱动芯片欠压锁定保护，导致HO无输出，上管Q1无法导通。

根据驱动芯片HB的UVLO值，可由式（1）求得CBOOT的最小值。

式中，QG是功率管的栅极总电荷量；IBL是HB对地漏电流；IRGS是流入栅极-源极电阻器的电流；IQBS是HB至HS静态电流；tON是上管Q1导通时间；VF是自举二极管DBOOT的正向导通压降；VHB,OFF是驱动芯片VHB的下降UVLO阈值。

从式（1）可见，随着Q_G增大，自举电容C_BOOT的取值也需要增大，C_BOOT增大会导致自举二极管瞬时充电电流增大。需要特别注意的是，由于自举二极管是集成在SGM48211的内部，集成的自举二极管的Die面积有限，散热能力有限。C_BOOT充电电流超出自举二极管散热能力时，可能会烧毁自举二极管。图5（b）中所示为在VDD = 12V条件下对SGM48211内部自举二极管充电时的峰值电流波形：C_BOOT = 680nF，D_BOOT峰值电流为10.7A。

可见，C_BOOT的容值如果选择过大，会导致自举二极管存在损坏的风险。实际应用中，由于功率管Q_G较大，C_BOOT取值不得不大时（如C_BOOT ≥680nF时），为了保护SGM48211内部自举二极管，可以选择在C_BOOT处串联一个自举电阻RBOOT（典型值1Ω至10Ω）来限制自举电容的充电电流，如图6（a）所示。如图6（b）所示，在V_DD = 12V，C_BOOT = 680nF，R_BOOT = 1Ω条件下对SGM48211内部自举二极管耐峰值电流能力进行测试，结果与图5（b）对比，D_BOOT峰值电流从10.7A降至5.5A。

但是，自举电阻不可过大，否则会增加V_BS时间常数。下管Q2的最低导通时间，即给自举电容充电或刷新电荷的时间，必须匹配这个时间常数。该时间常数取决于自举电阻，自举电容和开关器件的占空比，可由下式（2）求得。

式中，RBOOT是自举电阻；C_BOOT是自举电容；D是占空比。

当C_BOOT串联自举电阻，需要考虑自举电阻带来的一个额外的电压降：

式中， Q_CHARGE是自举电容充电总电荷；t_CHARGE是自举电容充电时间，即下管Q2导通时间；R_BOOT是自举电阻。

3.2 HS引脚负压di/dt噪声

3.2.1 HS引脚产生负压的原因

由于实际电路中存在上下管功率器件的封装电感和电路板走线的寄生电感，上管Q1导通时，电流经过上管流过负载电感，如图7（a）所示；上管Q1关断换流时，续流电流经过下管Q2的体二极管流过负载电感，该电流会在LS1、LS2等寄生电感上产生电压，从而导致HS引脚处产生低于地线电压的负压，如图7（b）所示。该负电压的大小正比于寄生电感的大小和开关器件的电流关断速度di/dt，如式（4）所示，其中di/dt由栅极驱动电阻RG和开关器件的输入电容C_ISS决定。