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[参考译文] DRV8353:针对 HS 和 LS 开关的 MOSFET 参数优化

Guru**** 2487425 points
Other Parts Discussed in Thread: DRV8353

请注意,本文内容源自机器翻译,可能存在语法或其它翻译错误,仅供参考。如需获取准确内容,请参阅链接中的英语原文或自行翻译。

https://e2e.ti.com/support/motor-drivers-group/motor-drivers/f/motor-drivers-forum/1137147/drv8353-mosfet-parameter-optimization-for-hs-and-ls-switching

器件型号:DRV8353

尊敬的 TI 论坛:

我们使用的是 DRV8353智能栅极驱动器。 我们遇到了 HS 和 LS MOSFET 开关问题、并优化了 idrive、tdead、tdrive 和 gate 电阻器。

我们使用的 MOSFET 具有100ns 的上升和下降时间以及45nC 的栅漏电荷和150nC 的总栅极电荷、这通常是如此。

当我们使用22 Ω 栅极电阻器时、 栅极和相位信号的过冲、下冲和振荡更少、但更重要 的是、HS 和 LS 开关不正确。

蓝色=GHA-SHA 信号、绿色=GLA-GND 信号、黄色=SHA-GND 信号、紫色= A 相电流

(Rgate = 22 Ω、 I_drives=300/600mA、t_deut=400ns、t_drive=4000ns、负载电流为20A)

         

由于栅极电阻器限制电流、在上升和下降时间内增加 I DRIVES 不会产生任何影响。

另外、如果我们将栅极电阻器值减小到2.7欧姆、则开关是正确的、但在开关的某个时间会发生振荡和其他有害的情况。

(R_GATE = 2.7 Ω、I_DRIVE = 300/600mA、t_dead = 400ns、t_drive = 4000 ns、 负载电流为20A)

      

如果我们增大 I_drive 值、上升和下降时间会改变、但不必要的振荡会继续。

(R_GATE = 2.7欧姆、I_DRIVE = 1000/2000mA、t_dead = 400ns、t_drive = 4000ns、负载电流为20A)

         

  • 22欧姆状态下的开关损耗大于2.7欧姆。 因此、MOSFET 上的热耗散非常大。 我们应该减小它。
  • 如果我们突然将负载从20A 更改为5A 栅极故障、则在2.7欧姆栅极电阻器状态下会发生过流错误。 但是、当我们使用22欧姆栅极电阻器时没有误差。
  • 为了减少相位电压过冲等、我们在 TI 应用手册《高功率电机驱动器应用的系统设计注意事项》中提出了一些建议。  由于 tdrive 和死区时间、可能会发生振荡。

您能帮我们解决这个问题吗? 我们如何克服这种信号混叠?

提前感谢。

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    Yardi、您好!

    感谢您的提问!

    您提到您的目标是100ns MOSFET 上升/下降时间。 一些重要注意事项:  

    MOSFET 上升/下降时间是指 VDS 上升/下降时间、而不是 VGS 上升/下降时间。 因此、为了正确了解 MOSFET 的开关速度、您需要测量 MOSFET 的 VDS 电压。  

    2.对于许多应用而言、100ns MOSFET 上升/下降时间非常快、许多客户认为200ns 上升时间和100ns 下降时间是快速开关速度。  

    正确的 PCB 布局对于干净的 MOSFET 开关至关重要。 栅极走线和 SHX 走线中的寄生电感可以限制 MOSFET 的开关速度、而不会导致栅极和源极上出现过多的振铃。 根据我的反馈、您在努力获得所需的 MOSFET 开关速度、同时减少栅极上的振铃/振荡。 解决方案是减小栅极电流/增加栅极电阻以降低 MOSFET 开关速度、从而减少栅极上的振铃、 或者、您将需要更新 PCB 布局以减少导致振铃的一些寄生电感、以便您能够以更快的开关速度运行、而不会出现同样多的振铃。 这主要是通过降低栅极和源极布线的电感来实现的(将布线宽度扩大到至少20mil、使布线的距离尽可能短、并最大限度减少这些路径中使用的过孔数量)。  

    需要注意的一点是:增大栅极电阻值与减小 IDRIVE 电流相同。 当 所需的栅极驱动电流介于两个 IDRIVE 设置之间时、栅极电阻器的作用是使您能够进一步调整 IDRIVE 强度。 因此、较大的栅极电阻器将导致较慢的 MOSFET VDS 压摆率。

    我已附上 TI 的《电机驱动器电路板布局的最佳实践》文档。 这是有关创建/更新 PCB 布局时实施的各种提示的优秀资源。  

    此致、

    Anthony Lodi

    e2e.ti.com/.../0083.Best-Practices-for-Board-Layout-of-Motor-Drivers.pdf

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    您好、Anthony、

    感谢您的回答。

    我们的目标不是100ns 的上升和下降时间;它只是 MOSFET 数据表值。

    我们认为200ns 的上升和100ns 的下降时间适合我们的设计。

    上升部分:45nC/200ns=300mA

    下降部分:45nC/100ns=600mA

    如果您看看示波器条件、我们已经分析了拉电流和灌电流的300/600mA I DRIVE 电流。

    另一方面、实际上、我们已经仔细设计了 PCB 部分、并在设计之前阅读了此应用手册。 但是、我们将再次查看它以检查 PCB 设计。 感谢您的建议。

    实际上、不知道 Vgs (HS)和 Vgs (LS)之间的转换、我的意思是在开关波形中。

    (DRV8353数据表中的开关波形、上述22欧姆转换中的 ST AN5252应用手册图12)(分别为)

    在 DRV8353数据表中、切换波形显示 Vgs (LS)完全关闭后、Vgs (HS)正在打开。 但是、不可能通过注入栅极电阻器和降低栅极驱动电流来达到该目的。 我们的图与 ST 应用手册中的波形相似。

    哪个波形是正确的? 您对这些开关波形有何看法?

          

    非常感谢您的参与。

    此致、

    亚尔迪

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    Yardi、您好!

    我现在理解您的问题、感谢您提供的更多详细信息。 一旦 VGS 电压降至大约2V、驱动器将开始插入死区时间、然后打开另一个 MOSFET。 在这种情况下、一个 MOSFET 关断和另一个 MOSFET 导通之间似乎没有任何死区时间。 我假设您正在测量 MOSFET 处的 VGS 电压。 您是否能够在更靠近器件引脚的位置进行另一次测量? 我想查看器件显示的内容与驱动程序显示的内容。 由于栅极电阻器上的压降、靠近器件的 VGS 电压可能小于 MOSFET 附近的 VGS 电压。 这可能导致驱动  器在 MOSFET 附近的电压足够下降之前更早地启动死区时间计时器、从而导致 MOSFET 本身出现的死区时间不足。  

    我建议尝试减小 IDRIVE 设置以降低栅极驱动器电流、而不是将栅极电阻增大到22欧姆。 这将有助于在无需使用大栅极电阻器的情况下实现类似的振荡减少。 如有必要、电阻器的主要用途是在两种设置之间进一步调整栅极驱动强度。  

    此致、

    Anthony Lodi

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    您好、Anthony、

    感谢您的支持。

    我们已经进行了一些测试、并且信号波形有了更新。

    • 我们移除了22欧姆、并使用了0欧姆栅极电阻器。
    • 每个通道的下降和上升时间为150ns。 (MOSFET Qgd = 45nC、300mA/300mA 拉电流和灌电流)
    • 用于高侧和低侧栅极的 RC 缓冲器。 (Rsnub = 1 Ω、Csnub = 33nF)
    • VDRAT-GND 和 VDRAT-SPA 10uF 陶瓷电容器(尝试使用高达100uF 的电容器、没有明显差异。)
    • 栅极信号布线为20mil、经过精心设计。
    • 1PWM 同步 模式被使用并加载20A IRMS。

    最后、我们得到了正确的驱动波形。 但是、低侧栅极信号仍然存在问题。

    当我们降低高侧 MOSFET 的源极电流(从300mA 降至150mA)时、任何阶段都会出现栅极驱动故障。 在这种情况下、栅极信号波形是不够的。 你怎么看? 任何 tdrive 或死区时间调整都无关紧要。

    另外、您建议使用什么来改善栅极信号?

        

          

    非常感谢。

    此致、

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    Yardi、您好!

    我很高兴听到您能够获得正确的栅极驱动波形!  

    您提到、您有一个用于高侧和低侧栅极的 RC 缓冲器。 我想确认、该 RC 缓冲器不是放置在栅极上、而是连接到每个高侧和低侧 MOSFET 的源极到漏极、对吧?

    对于您提供的波形、会测量哪些信号? 我假设粉红色是 VDRAIN、黄色是 SHX、蓝色是 GHx-SHX、绿色是 GLx 到 GND。 我是对的吗?

    当您测量 GHx 至 SHx 电压时、是否在示波器上使用单端探头或差分探头?  

    我对器件在获取右上角波形时所处的条件特别感兴趣、因为我们在绿色波形上看到一些非常显著的振荡。 使用了什么 IDRIVE 设置以及在此期间流动的相电流是多少?

    要详细了解栅极驱动器故障的可能解决方案、您是否能够提供在 nFAULT 变为低电平时触发的波形、该波形显示了触发故障的栅极的栅极波形? 这将使我更好地了解发生故障时发生的情况。

    此致、

    Anthony Lodi

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    您好、Anthony、

    • 是的、您答对了、RC 缓冲器位于每个 MOSFET 的漏源极上。
    • 蓝色=GHA-SHA 信号、绿色=GLA-GND 信号、黄色=SHA-GND 信号、紫色= A 相电流
    • 我们使用差分探头测量了高可用性高可用性高可用性高可用性高可用性
    • 是的、GLA-GND 引脚上有明显的振荡。 通过使用 尖头和桶形探头端、振荡已减少多达上波形的一半 但是、仍然会继续。
    • 测试设置:Idrives=300mA/300mA、tdrive=4000ns、tdeed=100ns (或400ns、仍然存在故障)、Vds-lvl=2V、 OCP-DEG = 8us 过流抗尖峰脉冲、SEN-lvl=SENSE OCP 1V。  
    • Ig相=~20A 负载。

    我们将尽快提供您需要的波形。

    谢谢、

    亚尔迪

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    Anthony、

    您可以看到 nFault 触发的波形。 在上一幅图中、蓝色信号偏移调节为10V、以轻松查看波形。

    故障状态:1538或1544

    始终 VDS_OCP=1、GDF=1。 相关的相位 VDS 过流故障会发生变化、有时是 A、有时是 B

             

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    Yardi、您好!  

    感谢您提供额外的波形  

    此致、  
    Andrew  

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    Yardi、您好!

    感谢您提供更多详细信息!

    因此、尖端和桶形方法可以减少低侧栅极信号上的振荡、探针可能会拾取一些噪声、 但是、其中一些可能是由于源极耦合通过低侧 MOSFET 的 CGD 电容进入低侧栅极时出现振铃。 以下是有关调节缓冲器 RC 值的有用常见问题解答: https://e2e.ti.com/support/motor-drivers-group/motor-drivers/f/motor-drivers-forum/991693/faq-proper-rc-snubber-design-for-motor-drivers

    您提到故障状态为1538或1544、VDS_OCP 和 GDF 始终为1。 当我将故障状态从十进制转换为十六进 制时、我将获得值0x602或0x608、这将指示故障位 VDS_OCP、并且设置了 VDS_HB 或 VDS_HC (请参阅下文)。 在上述两种情况下、故障始终是 VDS_OCP 故障、而不是 GDF。 如果我在计算中出错、请告知我。  

    VDS 监视器跳闸时的近似电流可通过以下公式计算:

    Itrip = VDS/RDS (on)。

    您提到您使用的 VDS 跳闸电平为2V。 您的 MOSFET 的 Rdson 值是多少? 请记住、高侧 MOSFET 的 VDS 监视器以 SHx 和 VDRAIN 为基准。 如果 VDRAIN 引脚无法准确检测每个 MOSFET 上的电压、则可能会导致 VDS 监视器在某些相位上更快跳闸。

    此致、

    Anthony Lodi

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    您好!

    当我们查看数据表时、200ns 低侧栅极驱动引脚瞬态电压(GLX)介于-5.0V 至 Vvgls+0.3V 之间。 使用尖头和桶形探头端、测量的最小电压和最大电压 低侧栅极驱动器的电压分别为-10.2V 和+6V。 它持续约50ns。  这是否正常?

    感谢您的指导、我们已经使用了7步法来计算实际 RC 值。 但是、RC 缓冲器实际上与相电压振铃、SHA 相关。 正如我们在测量中看到的、它不会对 GLx 或 GHx 信号波形产生太大的影响。

    是的、您对故障状态正确无误、抱歉。 在栅极驱动电流小于300mA 的情况下、我们得到 VDS_OCP 故障。  

    我们如何才能了解漏极感应是否正常? (Rds-on-=4m Ω、Vds=24V、36V 或48V 的典型值。)

    对于300mA 高侧电流、一切都正常。 但是、如果我们将电流电平降低到150mA、则会出现这些故障。

    谢谢、

    亚尔迪

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    Yardi、您好!

    让我在星期四结束前回到您的身边。

    此致、

    Anthony Lodi

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    Yardi、您好!

    我很抱歉没有尽快答复。

    低侧栅极上的-10.2V 瞬态令人担忧、我怀疑这实际上是由于低侧源极上的振铃(由于低侧 MOSFET 关断时栅极被拉至源极、因此会反映在栅极上)。 您可以在 SLX 路径中添加一个从 SLX 到 GND 的二极管以及一个小电阻器(以限制流经二极管的电流、如下所示)、从而钳制负电压尖峰。

       

    以下是另一篇对寄生效应有用的文章、仅供您参考。  https://www.allaboutcircuits.com/industry-articles/understanding-and-mitigating-motor-driver-board-parasitics-through-simulation/

    关于 VDS 监控、似乎相位 B 和 C 的 VDRAIN - SHX 电压可能不准确地表示这些特定 MOSFET 的漏源电压。 这可能是由于 VDRAIN 布线相对于 B 相和 C 相的漏极放置、 但是、一种确认方法是测量器件引脚附近从 SHB 到 VDRAIN 的差分电压、然后以差分方式测量 MOSFET 附近 B 相的高侧 FET 的 VDS 电压、以查看其在期间是否接近 VDS 跳闸阈值 操作。 您也可以对 C 相重复此操作。  

    您能否确认您使用的是哪个 VDS 跳闸阈值?

    此致、

    Anthony Lodi

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    您好、Anthony、

    很抱歉耽误你的回答。

    感谢您的建议、我们可以使用从 SLX 到 GND 的二极管来保护栅极驱动器。

    VDRAIN 走线的宽度为60mil、并连接到1000uF 电解电容器下的 Vbus。 它接近 U 相。

    VDS_LVL 为2V、SEN_LVL=1V。 两者都是最大值。

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    Yardi、您好!

    我 认为 1000uF 电容器将 VDRAIN 电压保持在高于实际电压 的位置 、靠近 V 和 W 相位的高侧漏极。 如果 V 相和 W 相是远离1000uF 电容器的最远相位、并且1000uF 电容器靠近 VDRAIN 引脚、则可能会发生这种情况。 1000uF 的电容器非常有助于 在 电池上出现电压突降时提供额外的电荷并保持电源电压、 但是、大容量电容相对于 MOSFET 的放置可能是特定相位本地可能出现的突降的一个因素。  

    您可以通过测量 DRV 漏极引脚处的电压 并测量 V 相和 W 相位高侧 MOSFET 附近的漏极电压来确认是否存在这种情况。如果您看到漏极引脚电压明显高于电压 在 MOSFET 漏极处、这可能是 VDS 监视器跳闸时间比预期的要早的原因。

    更改 VDRAIN 迹线的布线有助于提高 VDS 感测精度(最好将其连接到三相中间的相位)、 此外、还可能将1000uF 电容器移至 MOSFET 漏极附近、以便为 MOSFET 提供更局部的大容量电容。

    此致、

    Anthony Lodi

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    您好、Anthony、

    您的想法是正确的、但在 PCB 布局方面、很难实现。

    实际上、当我们分析 DRV8353 EvKit 和示例布局时、VDRAIN 几乎连接到电容器总线引脚;不在三相中间且接近一相。

       

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    您好、Yardi

    了解 将 VDRAIN 走线路由 到 MOSFET 中间位置的困难。 另一种选择是加宽将 电路板上的漏极连接在一起的多边形覆铜、以便 VM 上的阻抗/电感更小、从而帮助减小 VDRAIN 迹线与 V 和 W 相位漏极之间的电压差。 这些是我可以建议的解决方案、如果您希望我查看您的 PCB、我可以为您提供有关如何最佳实施 PCB 的更多具体提示。  

    此致、

    Anthony Lodi

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    您好、Anthony、

    感谢您的持续支持。

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    Yardi、您好!

    很高兴我能帮忙!

    此致、

    Anthony Lodi