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[参考译文] UCC27211:高侧栅极未激活

Guru**** 2382630 points
Other Parts Discussed in Thread: UCC27211, SN6501, UCC27282
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/992442/ucc27211-high-side-gate-not-activating

器件型号:UCC27211
主题中讨论的其他器件: SN6501UCC27282

我设计了一个功率级三相驱动器卡、将 UCC27211用作栅极驱动器。 我已经在受控环境中使用3.3V 电平的函数发生器来驱动 UCC27211的栅极 LI/HI 输入、测试了设置。 从我的示波器实验中可以看出、只有低侧栅极被器件激活。 高侧不驱动高侧 MOSFET 栅极。 自举电路是否存在问题? 在器件数据表中、我没有发现很多自举电路的建议、但我所做的只是使用不同的自举电容值进行实验、没有成功。 作为参考、我使用的 MOSFET (IPB072N15N3GATMA1)的栅极电荷约为70nC。 我在这里发布了原理图以供参考。 是否有任何关于调试这种情况以及确定高侧驱动器为什么不能按预期工作的建议?  

 e2e.ti.com/.../7411.schematic.pdf

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    您好 Justin、

    感谢您关注 UCC27211。 为了使高侧 MOSFET 栅极驱动输出正常工作、HB 至 HS 偏置需要充电至超过 UVLO 启动阈值。 为了使自举电容器充电、动力总成开关节点和驱动器 HS 引脚需要切换至接近接地、以便引导电容器通过引导二极管从 VDD 充电。

    确认 HS 引脚或开关节点接近接地电位、当 LO 输出驱动低侧 MOSFET 时应发生这种情况。 同时确认驱动器 HB 至 HS 引脚上是否至少有8V 用于高侧偏置、VDD 用于低侧偏置。

    另一个问题是确保驱动器 LI 和 HI 信号从接地切换到超过~2.8V 的导通阈值。 3.3V 逻辑驱动就足够了。

    确认这些基本操作、如果您有任何其他问题、请提供更新。

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    感谢您的回复。  

    请帮助我澄清一些问题

    [引用 userid="185386" URL"~/support/power-management/f/power-management-forum/992442/ucc27211-high-side-gate-not-activating/3665583 #3665583"]确认 HS 引脚或开关节点接近接地电势、这种电势应在 LO 输出驱动低侧 MOSFET 时发生[/引用]

    这是否意味着、在 HI 引脚触发 HO 上的适当输出之前、我必须至少切换一次 LI 引脚?  

    此外、我是否必须在每次切换时执行此操作? 即、我是否总是需要在高侧或低侧始终开启的情况下执行 PWM/PWMN 策略? 例如、在对 HI 引脚持续进行 PWM 操作的同时、能否将 LI 引脚保持在低电平? 还是该器件在物理上无法实现这一点?  

    [引用 userid="185386" URL"~/support/power-management/f/power-management-forum/992442/ucc27211-high-side-gate-not-activating/3665583 #3665583"]还请确认驱动器 HB 到 HS 引脚上是否至少有8V 用于高侧偏置、VDD 用于低侧偏置。

    我是否使用电压表检查此情况、并且仅在至少切换一次 LI 输入后检查此情况?  

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    您好 Justin、

    第一个问题。 当 HS 引脚切换至接地时、HB-HS 电容器从 VDD 充电、的电势为(或非常接近)。 当低侧 FET 导通时、LO 输出通过 LI 信号导通时、通常会发生这种情况。

    为了使 HB-HS 电容器保持充电、必须通过开关节点切换至接地来刷新它、通常从开关低侧 FET 切换至接地。 如果 HB-HS 电容器未充电至超过 HB UVLO 阈值、则高侧驱动 HO 将不会运行。 不能只切换高侧输出、也不能用针对高侧偏置的典型自举电路切换低侧。

    有一种方法仅操作高侧、但它需要专用的浮动高侧偏置电路、该电路可通过使用 TI 的 SN6501变压器驱动器的小型简单解决方案来实现。

    确认这是否能解决您的问题、或者您可以在此主题上发布其他问题。

    此致、

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    Richard、

    感谢您在这里的回复。 我现在明白了。 我将修改我的开关策略、然后看看我是否可以这样切换高侧。 您是否知道将开关节点切换到接地后多长时间、自举电容器将保持电荷并能够切换高侧?  

    此外、考虑到前面提到的70nC 栅极电荷、并且考虑到我在 VDD 以12V 电压运行、您能否帮助我确认自举电容器的大小?  

    我看到一个应用手册(SLUA887) 说:

    在本例中、我认为这大约是60nF。  0.1uF 是否是一个良好的起点?  

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    您好 Justin、

    由于您正在研究一个可能具有较长 HO 导通时间或低频率的应用、因此我将参考 UCC28272数据表、该数据表是一款类似的100V 半桥驱动器、但提供了有关调整自举电容器大小的更详细指导。 驱动器 IC HB 静态电流将随着时间的推移对自举电容器进行放电、您应该对此加以考虑。 请查看应用示例部分、其中包含基于频率和占空比的自举电容器指南。 使用 UCC27211中的 IC 参数以及 UCC27282数据表中的设计步骤。

    您提到的100nF 电容足以为 MOSFET Qg 供电、但可能需要增加电容以保持静态电流随时间的变化。 此外、如果您有一个栅源极电阻器、该电阻器也会使自举电容器放电。 在等式中、将流经栅源电阻的电流添加到 IHB。

    确认这是否能解决您的问题、或者您可以在此主题上发布其他问题。

    此致、

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    大家好、我设法使事情变得更好、现在我正在执行一个互补 PWM 策略、该策略似乎在低速运行电机。 现在、我继续烧毁 C 相 UCC27211驱动器。 我可能已经烧毁了3个驱动器、几乎所有驱动器都处于高速状态。 C 相也是离 UCC27211最远的半桥。  

    您认为这可能是布局问题吗?  也许它会将栅极信号距离推得太远。  

    这是一个2层电路板、来自"其他"电路板的所有信号都出现在左侧的接头上。 如果有用、我也可以在此处共享布局文件。 UCC27211在工作条件下升温和无法工作的最常见原因是什么?  

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    您好 Justin、

    对于驱动器的应力、布局无疑是一个问题。 我有一个问题。 当您提到互补 PWM 策略时、是否有单个 PWM 控制信号并使用互补的高侧和低侧输出操作驱动器? 我只问这个问题、因为在高侧和低侧导通时间之间、驱动器输出中有一定的死区时间很重要。

    对于较长的栅极驱动器到 MOSFET 走线环路、栅极驱动器输出上可能存在相对于 VDD 和接地的电压过冲和下冲、或者相对于 HB 和 HS 的电压过冲。

    使用示波器探头确认 LO、HO 和 HS 引脚处于数据表建议的工作范围内。 栅极驱动器输出或 HS 引脚上可能存在过大的电压。

    如果驱动器输出上存在电压过冲、则可以通过增大驱动器到 MOSFET 的电阻来改善这种情况。 这将减缓开关 dV/dt、并有助于抑制由布局布线电感引起的电压振铃。

    确认这是否能解决您的问题、或者您可以在此主题上发布其他问题。

    此致、

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    您好 Richard、

    感谢您的回复。 是的、我使用的微控制器具有 PWM 的内置死区时间设置。 目前、我在高侧和低侧的开关转换之间使用大约500ns 的死区时间、因此在这种情况下、我不担心击穿。  

    我将在接下来的几天内尝试在这些引脚上获得更多示波器结果、以查看是否可以发现异常情况。  

    是否有任何建议来调试故障芯片并查看电路的哪个部分发生故障? (例如、测量电阻或某些引脚上的某个东西?)。  

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    您好 Justin、

    为了确认哪些引脚可能发生故障、这将是有用的信息、我建议将转换器中最可能发生故障的引脚的电阻与新的未使用的驱动器样本进行比较。

    测量 LO 引脚到接地(VSS)、HO 引脚到 HS 引脚、HB 引脚到 HS 引脚以及 HS 引脚到接地(VSS)的电阻。 使用 DVM 进行测量、测量仪表的接地引线以 VSS 或 HS 为基准。 此外、在二极管测试模式下测量 VDD 至 HB、以查看自举二极管是否发生故障。 VDD 是自举二极管的阳极。

    此致、

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    您好 Richard、

    我总共有3个故障芯片、我对它们和新芯片进行了一些比较。  

    遗憾的是、故障芯片之间的一致性不是很高、但与新芯片相比、以下是一些显著的差异:  

    1故障芯片具有从 HB、HO、HS 到 VSS (GND)的无限电阻、这与新芯片相同。 但是、对于这些引脚、另一个故障芯片分别具有1.16M、8M 和2M。  

    此外、在新芯片上、HO 到 HS 的测量值约为7.5M、其中一个故障芯片在这里测量的值约为22M。  

    在新芯片上、HB 到 HS 为0.98M、在其中一个故障芯片上开路

    新芯片上的 HS 到 GND 为27M、其中一个故障芯片上为开路、另一个故障芯片上为2.1M

    至少有一个故障芯片在 VDD 和 HB 之间的二极管上存在短路。 新芯片的测量值为0.65V、而其他两个故障芯片的测量值为0.65V 和0.58V。  

    据我所知、我不确定此信息是否为我提供了有关潜在故障模式的确凿证据、但也许您可以提供一些建议。  

    下面是一些详细信息。 我用新芯片做了一些示波器实验、并在 C 相上获得了这些结果、其中栅极驱动器始终出现故障:

    在开关期间无负载探测高侧 MOSFET 栅极至源极:

    high side gate source - no load switching

    低侧:

    low side gate to source - switching with no load

    我还在每个上的栅极电阻器之前探测到噪声更大的结果:

    高侧驱动器上的尖峰是否似乎是问题的原因? 它们的电压高于20V、至少在示波器范围内。  

    我能否在栅极和源极上使用一些齐纳二极管或 TVS 二极管防止出现故障?  

    最后、以下是负载期间发生的低侧开关示例(电机已连接但功耗较低):

    最后、我想说的是、如果我以低速运行电机、一切看起来都很好、芯片触控效果很好。 当我增加占空比时、芯片似乎开始加热、最终 C 相栅极驱动器似乎是第一个出现故障的驱动器。  

    在较高负载下运行和出现故障期间、会有什么原因导致大幅升温? 我假设瞬变会在内部损坏芯片。  

    如果您想尝试解决此问题、请提供任何建议。  

    谢谢。  

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    您好 Justin、

    感谢您的更新。 在引脚比较测量中、我认为这一点不太确定、因为许多测量要么是非常高的阻抗、要么显示超出范围。 您提到的自举二极管 VDD 与 HB 之间的差异、在您提到的短接的器件上、我假设 VF 非常低、而不是0.6至0.7V。 请确认。

    您所显示的与驱动器上的电压尖峰有关的图是一个问题。 MOSFET 开关可能会产生 Vgs 扰动、这可能会误触发 MOSFET。

    由于驱动器与至少2个 MOSFET 之间的距离较长、这种情况并不少见。

    这方面的一个帮助是在 MOSFET 栅极和源极引脚上有一些电容。 这有助于稳定来自米勒电荷的 Vgs、该电荷在开关期间传输到栅极。 由于驱动器与 MOSFET 之间存在较长的布线、因此驱动器钳制 Vgs 的能力有限(由于布线电感)。

    此外、您能否确认驱动器 LI 和 HI 引脚没有可能误触发驱动器的电压尖峰? 如果 LI 和 HI 上有噪声、请尝试添加一个小型 R/C 滤波器、从50欧姆和100pF 开始。

    此致、

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    Richard、

    关于您的第一个问题、是的、具有自举二极管差异的器件的 Vf 基本为0V。 其他器件具有0.58V 和0.65V、新器件具有0.65V 自举二极管测量值。  

    我了解 Vgs 扰动和 MOSFET 误触发电势。 我可能会在我的电流设置中插入一些电容、但在我的电流设置中、很难将 R/C 滤波器添加到 HI/LI 引脚。  

    我现在的主要问题是、在较高负载下运行期间、哪些因素会导致芯片变热? 您是否知道在更高的负载下会导致它们变热的原因? 它们变得很热、这是否表明某些引脚上的电压尖峰发生了损坏或超出范围?  

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    Justin、

    有几种可能。 在更高的负载下、功率 MOSFET 将具有更高的温升、驱动器与 MOSFET 的接近位置可能会传导回驱动器。

    如果驱动器发生误触发、则会增加驱动器的频率、进而增加驱动器的功率耗散。

    此致、

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    您好 Richard、  

    我认为 MOSFET 的温度根本没有上升、或者至少没有显著升高。 而驱动器芯片似乎快速上升至> 70摄氏度。如您所述、误触发也是可能的。  

    您是否知道如果自举或 HO/LO 引脚上反复出现超出最大电压规格的情况、是否会产生热量? 或者在这种情况下热量是否意味着不可弥补的损坏?  

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    您好 Justin、

    如果 IC 引脚上的电压超出数据表建议的范围、有可能会有额外的电流流入 IC。 我会确认 HO、HS 包括负电压、LO 和 HO 包括过冲/下冲。

    还请确认我先前的建议、即栅极驱动器不会误触发并生成不会产生的额外脉冲。 即使驱动器的输出尖峰较窄、也会增加栅极驱动损耗。

    此致、