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[参考译文] UCC28951:使用 UCC28951PWR 且具有倍流器拓扑的 PSFB 转换器中的 MOSFET 过热

Guru**** 2387810 points
Other Parts Discussed in Thread: UCC28951
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/power-management-group/power-management/f/power-management-forum/1495355/ucc28951-excessive-mosfet-heating-in-a-psfb-converter-with-current-doubler-topology-using-ucc28951pwr

器件型号:UCC28951

工具/软件:

大家好:

我正在使用 UCC28951PWR 控制器、在整流级设计具有倍流器拓扑的 PSFB 转换器。 对于电路的其余部分、我遵循数据表中的拓扑、其中驱动器和控制器以次级接地为基准、而全桥 MOSFET 通过栅极驱动变压器进行驱动。

我遇到的问题是全桥 MOSFET 过热、只需一分钟的运行时间和3A 的负载即可快速达到90°C 。最初、我考虑了两个可能的原因:

  • 高侧和低侧 MOSFET 可能发生短路。
  • 栅极驱动速度可能不够快、或者导通过程可能存在问题。

我已经排除了这些假设,通过分析以下信号在滞后和领先的腿:

  • 蓝色:低侧 MOSFET 栅极上的电压。
  • 绿色:高侧 MOSFET 栅极的电压。
  • 黄色:分支中间节点处的电压。

如图所示、栅极信号之间没有交叉点。 此外、波形表明该分支正在执行软开关。 首先、低侧 MOSFET 栅极关闭、然后中间节点上的电压从0变为 Vin。 如果我没有误认为、此行为是由于匀场电感器强制电流连续性、从而导致低侧 MOSFET 的电容充电和高侧放电。 在此过程之后、高侧 MOSFET 栅极被激活(已实现 ZVS)、最后、高侧 MOSFET 也会在 ZVS 条件下关断。

我附加了滞后支腿和超前支腿的相应图像、以及显示 MOSFET 升温的图像:

滞后桥臂图像


前腿图像

MOSFET 的发热

(后腿-右侧/前腿-左侧)

尽管前两张图像显示了相当大的噪声、但我执行了一项测试、其中将初级接地和次级接地连接在一起、直接从驱动器驱动低侧 MOSFET。 对于高侧 MOSFET、我仍然使用栅极驱动变压器从源极到栅极产生12V 电压。 在此测试中、在高侧 MOSFET 上观察到的噪声几乎可以忽略不计、但发热持续存在。

最后、我使用了两个半桥驱动器直接驱动 MOSFET 栅极、从而绕过变压器。 这样、我就排除了栅极驱动变压器引起的问题、以及噪声可能由布局问题引起(因为在这种情况下布线会"飞跨")。 然而、结果保持不变。

我认为我可能忽略了设计中的一些重要或基本细节。 是否有人遇到过类似的问题或可以提供任何线索来帮助确定过热的原因?

提前非常感谢

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    对我来说、高侧和低侧之间的死区时间似乎很长。 您提到过、您设法获得了噪声/振铃低得多的波形。 您能分享一下吗?

    为什么您认为温度过高? 您是否有任何参考显示低得多的温度?

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    尊敬的 Ning:

    感谢您的答复。

    实际上、死区时间似乎非常高、两个桥臂都似乎在实现 ZVS、这样一来、考虑到负载仅为3A、匀场电感器非常小(220nH)、我发现这种情况并不常见。

    关于您请求的波形、我在下面附上了一个屏幕截图。

    如前所述、我进行了一项测试、其中将初级接地端和次级接地端连接在一起、直接从驱动器驱动低侧 MOSFET。 对于高侧 MOSFET、我继续使用栅极驱动变压器在源极到栅极之间产生12V 电压。 在该测试中、在高侧 MOSFET (黄色迹线)上观察到的噪声几乎可以忽略不计、但发热问题仍然存在。

    由于采用此设置、低侧 MOSFET 栅极电压仅在0V 至12V 之间摆动、而高侧 MOSFET 栅极电压在-12V 至12V 之间变化、因为它是通过栅极变压器驱动的。

    下图展示了主桥臂 MOSFET 的波形:

    • 橙色: 分支中间节点的基准电压。
    • 绿色: MOSFET 栅极上的电压。
    • 黄色: MOSFET 栅极上的电压。

    从波形中可以看出、与通过变压器驱动的 MOSFET 相比、由低侧驱动器直接驱动的 MOSFET 表现出明显更多的振铃。 但是、高侧 MOSFET 中的振铃始终保持在2V 以下、这意味着它不足以将其导通。

    关于您的问题、"为什么您认为温度过高?"-我认为问题不在于 FET 栅极的驱动方式、而是可能与体二极管有关。 它可能会有不必要的电流通过、还可能会产生反向恢复效应、从而导致过热。

    到目前为止、我只一直在监控 MOSFET 栅极电压、这并没有显示所有内容。 如果异常电流流过体二极管、它可能会隐藏在我的观察结果中。 为了更好地了解情况、我放置了一个分流电阻器与前桥臂的高侧 MOSFET 串联、以监测电流是否有任何不规则现象。

    下图显示了:

    • 黄色: 流过 MOSFET 的电流。
    • 绿色: 高侧 MOSFET 栅极电压。
    • 橙色: 分支中间节点的基准电压。
    • 蓝色: 低侧 MOSFET 栅极电压。

    为了进行比较、我还包括了在类似条件下的仿真。



    此外、我想强调的是、我使用倍流器拓扑进行整流。 当时、我已验证此控制器应该与此拓扑兼容、尽管它不是数据表中显示的拓扑(提供了使用中心抽头变压器的全波整流阶段)。

    但是、由于我遇到了一个我还没有确定的问题、我需要考虑可能出现概念错误。 因此、确认我的拓扑是否确实与 UCC28951兼容也会有所帮助。

    我期待您的反馈。 非常感谢。

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    您好:

     

    您的查询已收到、将按收到的顺序予以答复。

     

    此致

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    您好、作为更新:


    为了获得更多信息、分流电阻器与主支路的低侧 MOSFET 串联放置以测量电流。

    通过测量获得了以下波形:

    • 黄色: 流经上部分流器的电流(A)。

    • 绿色: 流经下分流器的电流(A)。

    • 橙色: 低侧 MOSFET 的栅极电压。

    • 蓝色: 节点的电压。

    在 MOSFET 通道关闭的时刻、已识别出非常强烈的振铃。 这表明电流在正向和反向偏置中都流过体二极管。 虽然这些周期在纳秒范围内、但它们可以解释观察到的发热情况。

    最相关的峰值与另一个分支中的 MOSFET 开关一致、这未显示在示波器捕获中。 这表明噪声是从一个分支注入到另一个分支。

    目前、这种振铃的来源尚不清楚。 一个假设是、它可能与组装的物理设计或 PCB 布局有关。

    在将实验波形与相同电路在相同条件下的仿真进行比较时、观察到、除了实际实现中存在的噪声外、通过 MOSFET 的电流波形是匹配的。

    理论电路不会出现振铃、但会在物理实现中出现振铃。 因此、该问题可能源于 PCB 设计或元件的排列方式。

    此外、每个开关周期中的电流路径可以描述如下:

    • 形成一个几乎闭环的电流路径。

    • 另一个半周期内的电流路径会进一步延伸、从而形成大约一个半环路。

    我不确定这是否可能是问题...

    提前感谢

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    您好:

     

    您能否分享原理图以供审核?

     

    此致、

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    您好、Mike、这是请求的原理图。 谢谢你

    e2e.ti.com/.../Full-Bridge.pdf

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    您好:

     

    我审阅了原理图、在功能上它看起来可以正常。  我可以看到您正在尝试通过使用 CS 引脚上的电阻分压器控制 ADEL 和 ADELEF 来实现自适应延迟方法。  我建议使用固定延迟方法、这样可以更轻松地为此方法设置时序。  以下链接将为您提供应用手册、其中介绍了使用 UCC28951的相移全桥的分步设计过程。  这里提供了指向 Excel 设计工具的链接、该工具在设计工具中使用相同的公式。  本应用手册甚至会计算所用组件的功率耗散。  您可以使用这些工具来帮助检查和调整您的设计。

    https://www.ti.com/lit/pdf/slua560

     

    我首先检查使用的 FET 的功率耗散、并使用上述 Excel 工具计算功率耗散。  然后、您可以通过结至外壳的热阻抗计算外壳表面的温度。   表面温度应该是环境温度加上功率耗散时间结至外壳热阻抗。  如果这与测试数据匹配、则使用的 RDSon 更低的 FET 和/或增加散热。

     

    如果设计的运行温度高于计算温度、您可能会对 H 桥 FET 进行硬开关。  然后、我将输出设置为10%负载、同时使用固定延迟方法、并根据应用手册 slua560设置开启延迟。

    您可能需要检查的另一点是 OUT E 和 OUT F 时序设置正确。  如果不是、您可能会过热。  上述应用手册和 Excel 工具将指导您为 OUT E 和 OUT F 设置延迟

     

    此致、

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    您好:

    感谢您的答复。 我将尝试按照您的建议、用固定值替换自适应延迟。

    关于您提到的 Excel 文件、我已经查看过了。 但是、所示的拓扑结构与我的拓扑结构不同、因为我使用的是 倍流 负反馈拓扑。

    尽管如此、我认为问题与相关 Rdson  而 MOSFET 的电流仅在3A (远低于80A)时也会出现此问题、因此转换器可以处理该问题。

    如我所附的最后三个图像所示、当全桥 MOSFET 的通道关闭时、它们会出现明显的电流振荡。 我怀疑这是过热的原因。 我无法确定导致这些振荡的是什么。 每当四个 FET 中的任何一个关断且开关节点上的电压改变极性(从0到 Vin、反之亦然)时、就会发生这种情况。 这种变化可能是由于 MOSFET 支路中寄生电容的充电和放电、这些电容由变压器漏电感短暂持续的电流驱动。 这种快速电压变化可能会触发振荡、因为电流路径中的电感与其他寄生元件谐振。

    如果是这种情况、我不能确定为了抑制这些振荡、可以对原理图进行哪些更改。

    我认为另一种可能是、由于我的仿真没有显示任何振铃、因此这可能是一个问题 PCB 布局问题 由于上述原因。 我要附加一个当前路径的 shceme:

    • 检测电流路径、红色。

    • 电流路径、蓝色。

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    您好:

     

    您的查询已收到、将按收到的顺序予以答复。

     

    此致、

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    您好:

    可能您的 SR 设置不正确。   我将使用 DCM 比较器将其关断、然后仅使用体二极管。  如果它消除了 H 桥上的加热问题、则您需要重新访问 SR 连接和正时。

    此致、