应用笔记|半桥中点负压及应对策略

本文主要阐述了在驱动芯片应用中，半桥中点出现的负压，分析其原因并且通过实验如何正确处理。

驱动芯片与VS负压的产品

电力电子电路中，桥式电路应用非常广泛。图1显示了一个半桥驱动芯片驱动半桥电路的典型电路示意图。

图 1. 理想典型驱动芯片与半桥电路示意图

基本工作原理如下：当HIN为高时，输出HO为高，上管M1打开，电流从BUS通过M1流到负载端。当LIN为高时，输出LO为高，下管M2打开，电流通过M2续流。

图 2. 带寄生电感导致VS电压低于VSS

由于线路上有寄生电感，在上管关断，下管开通的瞬态切换过程中，在寄生电感中将产生压降，导致VS端将产生负压，如图 2所示。VS负压端的大小，可由下述公式表示：

VS-VSS=-VFD-(LVSS-+LS2)×DIL/Dt-LS1×dIH/dt

由上述公式可知，VS的负压大小主要取决于如下参数：电流变化的斜率，寄生电感的大小。电流变化的斜率越大，尤其是在输出短路的情况下，VS负压也越大。寄生电感越大，VS负压也越大。

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VS负压的影响

一般在驱动芯片规格书中规定了最大的VS与VSS（COM）之间的负压和推荐的工作条件。

由于芯片内部含有寄生的二极管及latch up机制，当VS负压过大时，会导致芯片损坏或逻辑异常。

 

图 3. 高边的浮动电源与瞬态负压值VB,VS波形

如图3所示，当采用隔离的高边电源，当VS电压低于隔离电源Vbs电压时，导致VB电压低于COM端时，芯片内部二极管D3存在导通风险。

 

图 4. Bootstrap电路与瞬态负压值VB,VS波形

如图4所示，当高边电源采用bootstrap方式时，由于VS瞬间出现负压，将导致VB到VS的电压升高，当VBS电压大于芯片使用的最高值时，芯片也将损坏。VBS为浮动电源，考虑极端情况，上管导通时发生短路，一旦上管关断，短路大电流将通过下管体二极管。若此时的di/dt将使得VS非常小，VB与VS间电压超过芯片的使用范围。

VS负压幅值过大，有大电流从VS脚流出，会干扰芯片内部衬底，从而干扰内部电路对输入信号电平的正确判断，导致输出信号不受输入信号控制。

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VS负压对应策略

为了降低VS负压，优化PCB布局降低寄生电感是最有效的。PCB布局可以采用如下一些手段：如上下功率管的摆放尽量靠近；驱动芯片靠近被驱动的功率管以减少驱动芯片地到功率器件地。

另外一个途径是降低di/dt值。比较简单的办法是增大关断电阻R1，但以此同时，需要考虑可能会带来效率低下的问题。

图 5. Rvs连接电路

图 6. VS端增加反向二极管和稳压管

为了使得VB与VS间的电压差小于VBS_ABSMAX，推荐在VS与VSS间加入一个稳压管与高压二极管串联。VB-VS≤VBS_ABSMAX，则稳压管耐压值选择需考虑：VZ≤VBS_ABSMAX-VCC。

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SLM2304S实验测试

SLM2304S负压测试波形

图 7. SLM2304S VS 端没有串联电阻

-22V 300ns 负压波形

CH1: HO  丨  CH2: HIN  丨  CH4: VS

图 8. SLM2304S 串联电阻Rvs=10ohm 

-37V 300ns 负压波形

CH1: HO  丨  CH2: HIN

CH3: 芯片端VS  丨  CH4: 半桥中点VS

从图7，图8对比可看出，VS端未串联电阻，在300ns，负压22V就出现了波形异常，而VS端串联了10Ω电阻，负压达到了37V才出现异常。另外如图8所示，在半桥中点 有37V的负压，而芯片端的VS电压最大值只存在了20V附近，大大降低了芯片端的负压值；从而有效的抑制了外部负压的数值，相当于提高了芯片的耐负压能力。

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测试总结

VS的负压大小与持续时间关系到驱动芯片的安全、正常工作。瞬态负压的大小主要取决于寄生电感，电流变化的速率。通过对外围电路的有效设计，可以增强驱动芯片在系统中对负压的耐受能力，使其能在恶劣工况中安全工作。

　　审核编辑：汤梓红