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[参考译文] DRV8301:原因不明的高侧栅极驱动器故障。

Guru**** 2481465 points
Other Parts Discussed in Thread: DRV8301, DRV8323

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/1207529/drv8301-unexplained-high-side-gate-driver-failure

器件型号:DRV8301.
主题中讨论的其他器件: DRV8323

在过去的五年中、我的电动自行车系统完美运行、配备无传感器的 Instaspin、FOC、C2000器件+ DRV8301。 突然之间、系统通过将故障隔离到 DRV8301来产生故障。 经过检查、好像一小层焊料或类似材料可能落在两个引脚上并将它们短接在一起、从而导致故障。 DRV8301就地被替换、系统迅速恢复运行。 几天后、测试再次失败。

很显然、第一个故障不是由焊料叠层引起的。

故障已与高侧栅极驱动器隔离、并且与这些论坛上的故障相比相对较小。 首次 SH_C 和 GH_C 在内部短路@约4欧姆的内部电阻时结束。 第二次 SH_B 和 BST_B 最终以大约20欧姆的电阻短接在一起。 有趣的是、 这些条件都不足以影响电荷泵、以至于系统停止工作并出现故障标志。 相关的高侧停止、但系统仍能在电机旋转时达到最佳效果。 它可以正常工作、但在功率输出明显较低且谐波含量激增(远离正弦驱动)的情况下、声学噪声会增加。

在可靠运行的五年后、我认为布局、组件选择或系统调整不是问题所在。 随着时间的推移、更大的元件值/性能漂移/元件故障 可能是 最可能的问题。 遗憾的是、我不再拥有 PCB 布局、但考虑到它的可靠性、到目前为止、我认为这不是问题所在。 栅极驱动器根据其最低峰值电流传输进行配置、并使用10欧姆栅极电阻器。 MOSFET 的总栅极电荷为89nC、系统设置为以30kHz 运行(完全在 DRV8301s 能力范围内)。 在电源上安装了一个 TVS 以及1000uF 的大容量、低 ESR 电容。 该电源是一个高电流锂离子电池组、因此 反电动势灌入 应该不是问题。 TVS 尚未专门定位以保护 DRV8301、并且电池与寄生效应距离较远、因此这不是完全排除的。

系统标称值为48V、系统驱动高达18A 的限值、如 Instaspin 软件中所设置。

我显然意识到这只是干草堆中的一个问题、但考虑到高侧栅极驱动器出现故障的方式、这种故障在使用多年之后是否表明了我在解决这个问题方面可以重点关注的任何东西?

显然系统内的某些事情发生了变化、但我宁愿隔离并诊断此问题、而不是更换所有电源组件并希望这样可以修复此问题。 确定栅极驱动信号的范围是 我要 做的第一件事、但我想我要在讲英语之前先问一下这个问题、因为这始终有可能导致进一步的损坏。  

非常感谢、

马特.

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    您好、Matt、

    感谢您在电机驱动器论坛上发布您的问题! 我将更详细地探讨您的问题、并希望在本周结束前与您联系。

    此致、

    Anthony Lodi

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    您好、Matt、

    鉴于器件输出发生损坏、我可以查看 GHx、SHx 和 BSTx 波形、并查看是否有任何工作电压接近器件的绝对最大额定值。 我建议在未损坏的电路板和损坏的电路板上执行此操作。 我对峰值电流期间的波形特别感兴趣、因为寄生效应的影响在此期间更严重。 其中一个考虑因素是该器件的最大绝对电压为65V、因此对于48V 电源轨、您针对尖峰或电源泵送具有较低的裕度。 通常、我们建议将100V 器件用于48V 电源、以提供更好的裕度。

    此致、

    Anthony Lodi

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    在过去的五年中、我的电动自行车系统完美运行、配备无传感器的 Instaspin、FOC、C2000器件+ DRV8301。 突然之间、系统通过将故障隔离到 DRV8301来产生故障。 经过检查、好像一小层焊料或类似材料可能落在两个引脚上并将它们短接在一起、从而导致故障。 DRV8301就地被替换、系统迅速恢复运行。 几天后、测试再次失败。

    很显然、第一个故障不是由焊料叠层引起的。

    [/报价]

    您好、Matt、

    那么、您认为焊片的来源是什么? 您是否发现功率 FET 受到任何损坏?

    它的额定电压为65V abs、因此48V 电池是一个很好的裕度。 我不是责备驱动器、而是关注 FET 时序和散热问题。 我认为损坏的 FET 会导致漏电压/电流损坏驱动器。

    布赖恩

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    是的理想情况下,我会使用一个较新的器件,有一个更高的 ABS 最大值,为了更大的安全裕度,但当这个系统建成时,这些没有上市。 我甚至不认为首款智能驱动器 DRV8323系列也是如此。

    可能在最初构建时、任何寄生效应都可以由周围元件控制。 然后,随着时间的推移,事情已经开始流失。 唯一真正受到这种情况影响的器件是大容量电解电容器、除非陶瓷电容器发生了故障。 根据我的经验、这些器件通常发生短路故障、然后可能发生爆炸(很明显)。尽管应用会受到强烈振动、但去耦电容器可能在其某个端子上出现裂纹。

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    在维护期间、由于对电动自行车电子系统的另一部分进行了修改 -它们共享一个通用外壳、因此可能会意外引入一层焊料。 我不认为这家伙实际上做了什么,但你永远不知道。

    其中一个 FET 发生损坏是我最初想到的问题、因为我过去已经看到部分损坏的 FET 拿出了驱动器、但您是否预计 C 相的 FET 会损坏 B 相的高侧驱动器?  虽然可能不止一个 FET 出现了故障、但这似乎有点奇怪。

    值得指出的是、这两个故障都发生在电机启动或收到电机停止命令时、而不是电机旋转时。 电机启动始终非常平稳、并且没有任何种类的急冲、从而 对总线提出大电流要求。 在启动期间以及电机运行时、FET 也始终啮合。  然而、当命令停止时、FET 转换为高阻态并生成任何反电动势、在经过加速度减速和突然分离期间、然后必须由 MOSFET 体二极管在电源总线上处理。 在电池和 TVS 条件下、这应该不是问题、但这也不是 SH_X 节点可能被负驱动的时间? 同样、如果 SH_X 节点低于接地值、低侧 FET 中的体二极管将开始导通、但我想电流分流器与 FET 串联、 会将该电压升高到驱动器无法承受的程度、然后二极管也可能不够快。  

    这也带来了为什么现在呢? 我肯定需要使用示波器、看看发生了什么。

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    [报价 userid="71116" url="~/support/motor-drivers-group/motor-drivers/f/motor-drivers-forum/1207529/drv8301-unexplained-high-side-gate-driver-failure/4564251 #4564251"]唯一真正受到此影响的部件是大容量电解电容器,除非陶瓷电容器出现故障。 [/报价]

    大容量电容器发生故障不能损坏驱动器或 FET、但会导致影响驱动器功能的噪声。

    值得指出的是,两个故障都是在两个电机启动时或在命令电机停止时发生的,而不是在电机正在旋转时发生。 电机启动始终非常平稳、没有任何可能导致 总线上产生大电流需求的急冲[/引述]

    您使用哪种方法对齐无传感器驱动器的转子初始位置- IPD 或对齐? 因为电动自行车始终具有负载、所以我认为您使用 IPD。  

    我认为哪个输出通道受损无关紧要、这可能影响输入行为。  

    布赖恩

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    您好、Matt、

    感谢您提供有道理的其他背景知识。 我认为、最好的后续步骤是查看  GHx、SHx 和 BSTx 波形 、以查看是否可能在接近绝对最大值的情况下进行某些操作、尤其是在启动和制动期间。 启动时通常会导致较高的电流消耗、从而可能导致在此期间出现更大的振铃。 高阻态制动还会导致高电流流过 FET 的体二极管、并可能导致一些负瞬态和正瞬态、尤其是在此期间在 SHx 上。

    此致、

    Anthony Lodi

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    我认为、如果大容量电容器由于老化而增加了 ESR 并降低了容量、则有助于抑制瞬变的大容量电容器可能会导致对驱动器施加更大的应力、但我认为这种情况不太可能发生。

    此控制器正在使用 Instaspin FOC、它是一款集成在 TMS52F 封装中的 FAST 估算器。 据我所知、这是使用像 IPD 这样的器件、带有高频注入、来检测 BEMF 低电平下的转子位置、然后在启动时使控制环路闭合。

    在这种情况下、电机并不总是连接到旋转的轮子、因为它是用于驱动前链环的中等驱动配置。 当您停止行走时、电机会脱离、然后随着自行车续流而完全停止。 它不是风磨、除非您非常快速地停止和启动电机、但这种情况并非频繁发生。

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    因此我在那里、使用了损坏的驱动器芯片、开始探测、一切看起来都很好。 损坏的相位会造成相当大的混乱、它影响了驱动器控制传输到其他相位的驱动信号的能力、因此无法提供任何详细信息。 因此我更换了 DRV8301。

    开始时、我断开了电机连接、因为这只会使事情变得复杂。 从蝙蝠相位 A 和 C 看起来完美,但 B 仍然看起来混乱。 这是意料之外的。 经过一些调查、发现 B 相低侧 MOSFET、SMD 封装、源极、焊点未正确接地、自举电容器未开始充电。 我只能推测、功率级5年来的热循环逐渐导致焊点出现故障、几周前更换 DRV8301后、彻底打破了留下的微小接触。  这肯定会导致问题、因为在高阻态制动期间、任何负向电感尖峰都无法通过体二极管导通、从而产生魔法般的烟雾。

    这也会将故障视为仅在长时间使用后才会发生的故障模式。 希望这就是所需的修复方法。 我稍后将返回此处、查看一些示波器截图、因为我在修复硬件之前已经用完了时间。

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    您好、Matt、

    很高兴听到你似乎找到了根本原因! 您的分析是有道理的。 如果在修复 B 相低侧 MOSFET 后有任何其他问题、请告诉我。  

    此致、

    Anthony Lodi

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    我认为损坏的 FET 导致漏电压/电流损坏驱动器。
    经过一些调查后发现 B 相低侧 MOSFET、SMD 封装、源极、焊点未正确接地且自举电容器未正确连接至接地。 我只能推测、功率级5年来的热循环逐渐导致焊点出现故障、几周前更换 DRV8301后、彻底打破了留下的微小接触。  现在,这肯定会导致问题,因为任何负向电感尖峰,在高阻态制动期间,将不能通过体二极管导通,并将排出魔法烟雾。[/报价]

    我猜、坏的 FET 会导致驱动器损坏、但坏的电源连接也可以执行同样的操作。 我认为 FET 的温度不足以导致源极处出现不良的焊点-如果漏极是最热的端子、如果 FET 的温度足够高、能够熔化焊料、那么它已经出现问题了。 我会研究不良焊点的 PCB 组装工艺。 是的、在使用高阻抗低侧 FET 时、只要高侧 FET 在 PWM 周期内关闭、驱动器 HSx 引脚上就会出现非常高的电压尖峰、并会损坏该尖峰。  

    在这种情况下,电机并不总是连接到旋转的轮子,因为它是驱动前链条环的中驱动配置。 当您停止行走时、电机会断开、然后随着自行车续流时完全停止。

    我认为电机位于轮毂中、并且始终保持连接。 如何通过机械齿轮连杆或电磁离合器从车轮上断开电机? 因此、在大多数情况下、从完全停止开始时、电机与负载断开连接、那么我认为使用对齐(转子到通电定子线圈)比使用 IPD 更好。

    布赖恩

    [/quote]
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    哦、不、我不是说 FET 的温度足以熔化焊料。 采用 SMD 焊接的热循环是导致焊接点失效的众所周知的原因、尤其是在 BGA 封装中。 我只能假设这里发生了类似的事情。  

    想象一下骑一辆普通的自行车。 当您向前踏板时、链条与后轮上的链轮啮合、然后您向前转动后轮。 如果您停止踩踏后轮上的链轮、通过续流系统松开、您会听到典型的咔嗒声。 这可防止踏板在停止踏板时向前转动。 使用中速驱动电机系统时、电机转动连接到踏板的前链条环。 这样、后轮上的续流系统就意味着当电机的旋转速度比自行车向前移动的速度慢时、它会自动从车轮上脱离。 从静止状态启动时、电机始终处于启用状态、因此您需要 FAST 估算器。 如果电机 在自行车运动时打开、那么在它与后轮啮合之前、它必须加快速度以匹配自行车的速度。

    总之、这里是来自工作系统的一些栅极驱动器图像。  

    考虑到系统的性质、不可能直接使用探头并在 探头尖端周围使用线圈弹簧接地。 因此、测量包括焊接到 PCB 上的飞线产生的一些噪声和小幅高频误差。 这是由驱动电机的系统通过每个最小分压值= 1V 来完成的。

    反正我的眼睛,事情看起来不错。 而在死区时间切换到低侧期间、高侧会出现一点峰值(1-2V)。 这是我希望通过一款较新的智能驱动器改进的领域、因为它会自动将死区时间调至最低、但请告诉我您的想法。

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    您好、Matt、  

    看起来非常好。 当提到高侧的1V - 2V 峰值时、您能否对所指的波形进行注释?  

    此致、  

    安东尼

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    谢谢安东尼,你肯定会去。

    黑色圆圈内部表示在从高侧向低侧转换时栅极驱动信号发生的细微变化。 在切换和死区时间期间、这也许是正常的。 如果它是任何类型的振铃、它肯定看起来非常好地进行抑制。

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    您好、Matt、  

    这可能与体二极管导通有关、在这种情况下、减少死区时间只会缩短持续时间、不一定是电压幅度。 我认为波形顶部的正尖峰可能会出现过冲、但不是正尖峰。 屏幕上是否显示2个信号? 它同时显示了高电平和低电平信号、因此我想知道是否有2个信号重叠。  

    此致、

    Anthony Lodi

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    这是系统驱动电机,每个次要分频值= 1V。

    如果栅极信号具有1V/div、则 GLx 仅为6V、GHx 为8v、这是正常情况。 此外、示波器图片看起来很奇怪:PWM 信号的高电平和接地电平都具有约80%的占空比、而不是高80%、然后接地20%。 我不知道我在看什么。

    布赖恩

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    是的由于某种原因这是这种模拟示波器触发信号是相当恼人的方式。

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    它不是每个主分频1V。 高侧按1V/次分压、因此每按次分压5V。 它在高侧栅极上摆动了近40V。

    低侧为每主要分段2V、因此在栅极上几乎有12V 的摆幅。

    该示波器没有可以正确显示波形的高级触发函数。 这就是他们为什么会这样做的原因。

    有点像示波器可以准确地触发稳定的时钟信号、但如果您尝试在数据线上触发、则会看到上下重叠、一团糟。 这是控制环路使电机旋转时发生的情况。

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    您好、Matt、

    这对波形的触发很有意义。 我的分析是、-2V 电压来自 FET 体二极管的导通、这更多地是一个 MOSFET 参数、与驱动器没有太大关系。 新型驱动器可能会允许更短的死区时间、但体二极管上的压降幅度将由 FET 特性决定。 我一端无需担心波形(由于范围的限制、这是我能说的最好的)。

    此致、

    Anthony Lodi

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    谢谢 Anthony、这也教了我一些关于反向恢复在范围上看起来是什么样的东西。

    让我们只是希望它仍然可靠! 我将围绕其中一款更高电压的智能驱动器制定一项设计、以备不时之需。

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    听起来不错!

    此致、

    Anthony Lodi