集成自举驱动的旁路分流辅助方案

钱秋晓 郭 睿 钱秋亮

集成自举驱动的旁路分流辅助方案

钱秋晓 郭 睿 钱秋亮

（长城电源技术（深圳）有限公司，广东 深圳 581000）

在服务器电源的浮地驱动应用中，驱动集成电路（IC）基本取代了分立器件搭建的驱动线路。在特殊工况下对IC进行替代实验发现，持续高瞬态冲击电流会造成IC内部自举二极管烧坏开路，导致驱动异常、电源损坏的问题，因此单纯使用部分驱动IC在特殊工况下可能并不适用。本文对人工智能（AI）服务器电源在恶劣工况下的驱动IC异常问题进行分析，在驱动IC的基础上增加旁路分流辅助二极管线路，保障多种类驱动IC在恶劣工况下的正常工作，进一步提升了系统的整体稳定性和物料替代的多样性。

集成驱动；自举二极管；Boot电流；瞬态尖峰电流

0 引言

人工智能（artificial intelligence, AI）服务器对高功率密度的服务器电源要求越来越严格[1-3]，其中常规分立元件搭建的驱动已逐步被高功率密度集成驱动所取代[4-5]。在实际高算力条件下，适配的服务器电源时常会在特殊工况下出现驱动异常，导致系统故障。

本文对AI服务器在恶劣工况下工作时，造成配套服务电源的浮地驱动集成电路（integrated circuit, IC）异常问题进行分析[6-8]，提出一种备用旁路分流辅助二极管线路，降低IC内部二极管的Boot电流（瞬态冲击和反向恢复电流）应力和热应力，以提高恶劣工况下驱动IC的稳定性，保障电源系统的整体稳定性。

1 浮地半桥驱动IC集成自举线路分析

半桥驱动IC广泛应用于浮地驱动场合，因高功率密度要求，驱动IC内部一般会集成自举二极管，同时其应用外围电路的设计也更为简洁，广泛用于高功率密度开关电源的开发设计中[9-11]。半桥驱动IC内部逻辑及应用推荐线路如图1所示。

在驱动线路正常工作时，该线路有以下两种工作状态：

1）下管驱动打开及导通状态，内部自举二极管与Boot电容工作，Boot电容充电，满足

图1 半桥驱动IC内部逻辑及应用推荐线路

2）下管截止、上管导通时，上管驱动电压被抬高，满足

式中，H为开关管上管电压。

实际应用中，为提高电路在高频驱动下的响应速度，Boot电阻阻值较小，在特殊工况条件下，极易出现IC内部二极管因连续较大的Boot电流而损坏，导致驱动异常后电源系统宕机。

2 旁路分流辅助优化方案

半桥驱动IC内部集成的自举二极管参数在设计规格书中的描述很少，导致所设计的产品可能存在风险隐患，而工程设计生产中需要尽可能避免单一物料的出现，对物料可替代性的要求也越来越高，因此如何选取合适的驱动IC及其替代物料成为工程设计中的技术难点。本文以高功率开关电源半桥驱动设计为背景[12-13]，为进一步提高驱动IC在工程应用中的稳定性和可替代性，结合理论计算与设计，外加旁路分流辅助二极管备用线路来分担IC内部二极管驱动Boot电流的冲击应力，保障驱动IC的稳定性，提高电源系统的可靠性，使电源更加适应服务系统的恶劣工况。驱动IC旁路分流辅助方案如图2所示。

相比于原始应用方案，外并旁路分流二极管可进一步降低内部二极管的电流冲击应力，其中常规Boot电容boot的选择需满足

式中：为MOSFET门极电荷，本文设计高端三颗MOSFET选用INF BSC070N10NS3；为最小压降，其中为驱动IC HB引脚电位，为驱动IC HS引脚电位；为MOSFET的阈值电压；Vf为旁路二极管正向导通压降。本文设计所选参数分别为，， ，。

式中：为驱动频率；mosG为驱动MOSFET总门极电荷，本文设计高端驱动选用3颗INF BSC070N10NS3。

结合式（5）进行理论计算，选用旁路辅助分流方案可有效降低IC内部自举二极管的Boot电流应力，可实现预期方案要求，建议工程设计Layout布局时预留此位置，以满足不同类型驱动IC的设计需求。

3 方案验证及实验对比

为验证旁路分流辅助方案的有效性，本文通过Chrom电子负载模拟AI高算力时的恶劣负载条件，分别对旁路分流辅助二极管对半桥IC内部二极管瞬态Boot电流的分流能力、IC温升特性及整机老化稳定性展开分析。

3.1 驱动IC内部二极管Boot电流应力

驱动IC 0至55A Boot电流对比如图3所示，驱动IC 0至55A瞬态Boot电流对比如图4所示，驱动IC软启动后稳态55A Boot电流对比如图5所示，图中Ch2表示改前Boot电流波形，Ref1表示加入旁路分流后Boot电流波形，Ch4表示输出电流波形。驱动IC集成二极管Boot电流对比见表1。

图3 驱动IC 0至55A Boot电流对比

图4 驱动IC 0至55A瞬态Boot电流对比

图5 驱动IC软启动后稳态55A Boot电流对比

表1 驱动IC集成二极管Boot电流对比

由上述实验结果可知，无论在瞬态重载时，还是软启动稳态后，在旁路辅助作用下，IC内部二极管的瞬态Boot电流降低了58.95%，稳态Boot电流有效控制在0.3A以下，旁路分流二极管可有效分担IC内部自举二极管的Boot电流，且与理论计算基本吻合，证明了理论分析的准确性。因使用的旁路分流二极管为肖特基二极管，反向恢复时间rr=5ns，因此反向恢复电流主要受IC内部自举二极管影响，此处改善不明显，后续会针对此问题进行深入研究。

3.2 驱动IC温升对比

实际应用中，损坏IC的因素不仅有电压电流应力，还包括温升应力。为验证改进后方案的温升特性，在同等服务器高算力吃载工况下，环境温度为28℃，检测半桥IC的温升。模拟恶劣工况10min驱动IC温度对比如图6所示。

图6 模拟恶劣工况10min驱动IC温度对比

通过图6可明显看出，优化后驱动IC的温升有明显改善，在常温25℃条件下，运行稳定后改进前后的温度相差2.62℃，进一步验证了本文方案的优越性。

3.3 系统稳定性对比

考虑到在恶劣工况下运行时，原始方案会出现内部集成二极管因连续高Boot电流冲击而损坏，导致驱动IC发波异常，致使上下管共通，电源变压器二次侧短路，损坏开关管和驱动IC。驱动IC损坏驱动异常现象如图7所示。

图7 驱动IC损坏驱动异常现象

从图7可明显看出，Boot电流异常时，驱动同步发生异常，多个周期发波后，集成二极管完全损坏，电源宕机，实测IC内部自举二极管开路。

为进一步验证优化后线路在恶劣工况下的稳定性，使用电子负载模拟AI服务器高算力条件下的吃载情况，在高温55℃持续运行30min。电子负载模拟恶劣算力负载电流如图8所示。

图8 电子负载模拟恶劣算力负载电流

选用CRPS 服务器电源，在高温55℃持续运行60min，检测输出电压及负载波形，验证二次侧驱动在旁路分流辅助条件下的稳定性。优化方案55℃稳定运行60min实验结果如图9所示。

图9 优化方案55℃稳定运行60min实验结果

结合实际工况，在高温55℃条件下持续运行60min，电源系统稳定运行，进一步验证了分流辅助方案的可靠性，可有效降低IC内部二极管的Boot电流应力，同时在温度特性方面更具优势。综合上述实验结果可知，旁路分流辅助方案在浮地驱动应用中优势明显，使开关电源系统的稳定性更佳。

4 结论

驱动IC在浮地驱动应用中，集成自举二极管的选型规格直接影响整个系统驱动的稳定性。为保障电源产品在各种恶劣工况下的稳定性，结合旁路分流辅助方案，可有效降低IC内部二极管的Boot电流及反向恢复电流，在IC温升应力方面也更具优势，可进一步提高整个系统的稳定性，保障服务器电源在恶劣算力工况下的稳定性。因此，建议在进行Layout设计时，预留旁路二极管位置，以满足不同类型驱动IC的设计需求，降低设计风险。

[1] 股市动态分析. 浪潮信息: 服务器龙头受益AI蓝海[J]. 股市动态分析, 2023(3): 20-22.

[2] 高功率密度高效率CRPS服务器电源[Z]. 中国长城计算机深圳股份有限公司, 2015.

[3] 孙丹. 基于实时决策与实时控制模式的稳控系统研究[J]. 电气技术, 2022, 23(11): 103-108.

[4] 赵楠, 郑泽东, 刘建伟, 等. 级联H桥变换器IGBT开路故障分析与冗余方法研究[J]. 电工技术学报, 2023, 38(6): 1608-1619.

[5] 刘春权, 马海超, 刘冰, 等. 宽适应性驱动电源电路研究[J]. 电气技术, 2018, 19(8): 191-194, 198.

[6] 王腾磊. H桥结构电机驱动IC的研究与设计[D]. 成都: 电子科技大学, 2022.

[7] 金永镐, 徐红梅. 浮地方式驱动的宽电压输入串联型开关电源[J]. 电力电子技术, 2009, 43(12): 74-75, 78.

[8] XU Xinyu, KHANBADKONE A M, ORUGANTI R. Analysis and design of an optimized asymmetrical half-bridge DC-DC converter[C]//The Fifth Inter- national Conference on Power Electronics and Drive Systems, Singapore, 2004: 120-125.

[9] 朱泳翰. 半桥驱动芯片参数自动测试系统的设计[D].南京: 东南大学, 2016.

[10] 杨孔梁, 文小琴, 游林儒. IPM自举电路设计过程中的关键问题研究[J]. 电子技术应用, 2011, 37(8): 43-45.

[11] 刘教民, 李建文, 崔玉龙, 等. 高频谐振逆变器的功率MOS管驱动电路[J]. 电工技术学报, 2011, 26(5): 113-118.

[12] 施林涵, 林国庆, 徐质彬, 等. Buck-Boost型双半桥DC/DC变换器研究[J]. 电气技术, 2016, 17(6): 1-4, 8.

[13] 李浩然, 崔超辉, 王生东, 等. 基于二阶拟合模型的SiC双向LLC数字同步整流控制[J]. 电工技术学报, 2022, 37(24): 6191-6203.

[14] 李少红. 增强型GaN HEMT栅驱动芯片用功率集成自举二极管研究[D]. 南京: 东南大学, 2021.

[15] 唐钧涛, 戚志东, 裴进, 等. 基于电荷泵的燃料电池有源网络升压变换器[J]. 电工技术学报, 2022, 37(4): 905-917.

Integrated bootstrap drive bypass shunt auxiliary scheme

QIAN Qiuxiao GUO Rui QIAN Qiuliang

(Great Wall Power Supply Technology Co., Ltd, Shenzhen, Guangdong 581000)

In the application of floating ground drive of server power supply, the drive integrated circuit (IC) basically replaces the drive line built by discrete devices. Under special working conditions, it is found that the continuous high transient impulse current will cause the internal bootstrap diode of the IC to burn out and open the circuit, resulting in abnormal driving and power supply damage. Therefore, the use of partial drive IC may not be applicable under special conditions. This paper analyzes the abnormal problem of the drive IC for the artificial intelligence (AI) server power supply under harsh conditions. On the basis of the drive IC, the bypass shunt auxiliary diode circuit is added to ensure the normal operation of various drive ICs under harsh conditions, and further improve the overall stability of the system and the diversity of material substitution.

integrated drive; bootstrap diode; Boot current; transient spike current

2023-10-19

2023-11-27

钱秋晓（1982—），男，浙江省温州市人，本科，工程师，主要从事服务器电源开发工作。