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[参考译文] UCC21550：UCC21550不工作的半桥电路

admin
Guru**** 2386610 points
Other Parts Discussed in Thread: UCC21550, UCC28056
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/1378732/ucc21550-half-bridge-circuit-with-ucc21550-not-working

器件型号：UCC21550
Thread 中讨论的其他器件： UCC28056

工具与软件：

您好！  

电路是由 UCC21550BQDWRQ1隔离式栅极驱动器驱动的半桥电路、用于驱动超声波传感器负载60W、40kHz。 电路具有 PFC UCC28056BDBVT。 随附了原理图和 PCB 布局。 无需使用整流器、因为输出端需要正弦波来驱动超声波负载。 该滤波器由单个 LC 网络组成。

 

主要问题在于半桥电路。

无负载测试(继电器关闭时未连接变压器)：

  • UCC21550BQDWRQ1输入 PWM 由 UCC28086DR 供电。
  • 低功耗侧由5V DC 供电
  • UCC21550由13.5V 直流外部稳压电源供电的隔离侧
  • INA、INB (5V、0V)以及 OUTA 和 OUTB (13V 0V)上的 PWM 输出显示了预期的电压值。
  • 输入功率最初是385V DC、是 PFC 输出、它运行正常。  大容量电容器在开启 UCC21550之前充电至输入电压。
  • 该电路具有两个浪涌电流限制器。 1)在共模扼流圈之后、位于 PFC 电路的输出端。

 

问题：

  1. 连接靠近半桥电路大容量电容器的2A 保险丝、以便为半桥电路的输入端提供385V 直流 PFC 输出电压。
  2. 在激活 UCC21550 IC 时、从市电连接到输入电源的3A 保险丝会熔断、损坏 PFC UCC8056电路的检测电阻和 PFC 的 VCC 电源。  PFC UCC28056BDBVT 和 UCC21550 IC 共用同一个外部电源。 但在半桥电路的大容量电容器之前连接的2A 保险丝未受影响。   仅 PFC UCC28056B 受到影响。
  3.  
  4. 从电路板上移除了 PFC UCC28056B 电路。 UCC21550电路 INA、INB、输出 A 和 B 在没有输入电源的情况下进行了测试、它按预期正常运行。
  5. 由于移除了 PFC UCC28056电路、因此输入电源332V 直流(无负载的240VDC)随后直接提供给半桥。
  6. 激活 UCC21550 IC 后、半桥电路大容量电容器之前连接的2A 保险丝立即熔断、但电源上的替换3A 保险丝未熔断。
  7. 半桥高侧和低侧 MOSFET 的漏极和源极 短路、表明 MOSFET 已损坏。 在将 MOSFET 安装到 PCB 上之前对其进行了测试。

 

问题：

  1. 半桥设计可能有什么问题？
  2. 请查看原理图、尤其是 PCB 布局 、并说明可能出现故障的明确原因。 我可以在私人聊天中发送源文件(kicad)。  

 

此致

明亮

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    TI__Guru**** 2386610 points
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    TI__Guru**** 2386610 points
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    MOSFET：SIHP24N80AE-GE3

    浪涌电流限制器： B57235S0509M000

    PFC 输出电容器： EKXL451ELL680MU35S

    大容量电容器 EKXL451ELL820MM25S

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    TI__Guru**** 2386610 points
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    尊敬的 Bright、

    与栅极驱动器部分相关的原理图和布局似乎都设计正确。 为了更好地帮助发现栅极驱动器可能导致的任何潜在根本原因、您想在运行这些测试时分享您可能保存或能够复制的任何测试波形吗？ 这可能有助于指示到底是什么导致了 每个保险丝熔断。

    此致、

    会的

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    TI__Guru**** 2386610 points
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    您好、

    唯一的波形来自 UCC21550栅极驱动器输出。

    为隔离侧提供14V 电压。现在的问题是 UCC21550栅极驱动器的 OUTA 未进行开关、它显示稳定的12V。 OUTB 正在正确切换、显示15V 导通和关断。 INA 和 INB 由 PWM 供电、它可以正常工作。 我移除了所有组件、只剩下非隔离式电阻器和电容器。   我现在更改了 UCC21550 IC 三次、但 OUTA 未进行开关。 但 OUTB 工作正常。 仅 当以 VSSB 为基准时、OUTA 才显示12V、而使用 VSSA 时、则不显示任何内容。  

    问题可能是什么？

    此致、

    明亮

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    TI__Guru**** 2386610 points
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    此外、当  UCC21550上电时、是否意味着 VSSA 和 OUTB 之间 以及 VSSA 和 VSSB (接地基准)之间存在任何导通？  

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    TI__Guru**** 2386610 points
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    这是否意味着在焊接过程中隔离栅被打破了？  但与上述电路相关的任何导通性均不会关闭。  

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    TI__Guru**** 2386610 points
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    我怀疑 VSSA 和 VSSB 之间的隔离栅在使用热风枪焊接过程中损坏。 建议的热风枪温度是多少？

  • 0
    TI__Guru**** 2386610 points
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    您好、

    请忽略热风枪温度问题

    如果您对原理图和 PCB 布局满意、则我怀疑电路会由于高侧和低侧 MOSEFT 之间的死区时间而熔断、两者都短路、它熔断2A 保险丝。 栅极电阻为10欧姆、可能太小。 我将更换这些组件、首先使用30-40欧姆栅极电阻器、目的是确保它们之间有足够的死区时间、同时避免电路短路、并会在一周内向您发送波形。 您有什么建议？  

    此致

    明亮

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    TI__Guru**** 2386610 points
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    我应该更改哪一个？  UCC21550 IC 上和/或栅极电阻器上的 DT 值是多少？

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    尊敬的 Bright、

    对于死区时间电阻器、它将对死区时间进行编程、以反映以下公式：

    kΩ(ns)= 8.6 * RDT (k Ω) + 13

    产生的死区时间值将落在 计算值的大约+/- 10%范围内。 该公式将帮助您确定应用所需的死区时间电阻器。

    至于栅极电阻器、这将  对输出驱动电流产生显著的影响。 我会在这里开始更好地确定您是否需要更大的栅极电阻器。  UCC21550  能够驱动高达+4A/-6A 的输出电流、因此增大栅极电阻器将有助于防止输出电流超过保险丝额定值。 您可以利用 UCC21550数据表(第26页)中的这些公式 来帮助计算将输出电流限制在低于熔丝额定值所需的栅极电阻器：

    -------------------------------------------------------

    此致

    会的

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    TI__Guru**** 2386610 points
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    您好、

    感谢您的答复。  

    我需要进一步说明：

    1) 1)保险丝是否因为栅极驱动器的输出电流而熔断？ 或者

    2)它是否由于较 短的死区时间而烧毁、而在开启低侧之前、高侧可能没有足够的关断、从而使高侧漏极和低侧源极短路？

    请就本案中可能的罪魁祸首作进一步解释  

    此致、

    明亮

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    TI__Guru**** 2386610 points
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    尊敬的 Bright、

    1.栅极驱动的输出电流将通过上述公式计算得出、其中 I_OA+是通道 A 的输出源电流、I_OA-是通道 A 的输出灌电流。如果您的计算未超过保险丝的额定值、则栅极驱动器的输出电流不负责保险丝熔断。

    2.对于死区时间、请确保您已经计算出正确的死区时间、以确保另一个通道打开时不会出现短路。 这将取决于输出功率级中所用组件的规格。 然后、在获得所需的最小死区时间值后、使用以下公式计算生成该最小死区时间值所需的电阻器值：

      kΩ(ns)= 8.6 * RDT (k Ω) + 13

    在此公式中、请注意每个 变量的单位是什么。 您计算的电阻值应在1.7kΩ- 100kΩ 范围内。

    此致、

    会的

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    您好、

    我有一个关于自举电容器的问题。 它是否会在任何时候遇到直流链路电压？ 或者仅仅是施加了大约20V 直流的 VDDA 电压、在这种情况下、额定电压为50V 的电容器应该就足够了？ 或者、我是否需要考虑自举电容器的直流链路电压+栅极电压？

    此致、

    明亮

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    此外、自举二极管的额定电压是直流链路电压(例如300V 直流电)还是 VDDA 电压(20V)？

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    您好、

    请忽略最近的问题。 我找到了答案。 自举电容为2个 VDD、而自举二极管为 x 1.3-1.5直流链路。  

    此致、

    明亮

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    TI__Guru**** 2386610 points
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    尊敬的 Bright、

    您似乎已经找到了问题的答案。 感谢您发送编修！

    此致、

    会的

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    您好、  

    在保险丝冲击电源直流链路电压332V 直流电压之前一切都正常、我已经开始使用20V 直流电。

    事件发生后、我更换了所有元件、即 IC、自举电容器和二极管。  

    • VDDA 和 VDDB 为16V (同一电源)
    • 栅极电阻器100欧姆
    • DT 20k

    OUTA 没有切换、但 OUTB (连接的波形)正在正确切换。 INA 和 INB 信号正在切换。 波形连接到自举电容器和二极管、并且二极管尺寸和焊接正确。 IC 和电容器以及二极管已被更换多次、但 OUTA 未继续切换。 二极管的阴极和电容器之间存在导通性。

    1) OUTA 可能有什么问题? 请记住、我最多更换过 IC 3次。

    此致、

    明亮

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    我再次更改了 IC、但仍然存在相同的问题。 问题不是 IC、因为第5个 IC 发生了更改。  

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    尊敬的 Bright、

    感谢您分享这些信息。 您的死区时间编程正常工作、因此它不是 OUTA 未切换的一个因素。 此时、我建议您查看 输出功率级的原理图和布局。 我只能回答与栅极驱动器及其所需元件的原理图和布局有关的问题、栅极驱动器电路看起来一切都正确、这也支持您的 B 通道行为。

    我唯一建议您检查的是二极管和电容器的连续性。 我会仔细检查附近的所有元件、以确保没有元件干扰这些元件、还会检查电路板上的某个位置是否存在短路。

    此致、

    会的

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    您好、

    感谢您的答复。  

    电路中没有短路、否则 OUTB 无法工作。 我更改了自举二极管和电阻器 、但没有信号。  

    以 VSSA 为基准的 VGS 没有信号、但以 VSSB (GND)为基准显示14.4V。

    OUTA 的真正问题是什么？

    此致、

    明亮

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    光明,这是美国本周的假期,所以将延迟回复。 我们的团队将在下周早些时候与您联系。

    此致、

    Daniel

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    您好、

    显然、我忘记了 OUTA 至少需要连接低侧 MOSEFT 才能使用自举电容器进行导通/关断、该电容器在导通时(接地)将通过低侧 MOSFET 充电

    DT = 20k、栅极电阻器10 Ω、VDDA 和 B、14V

    波形附在下面。  

    1) 1)从波形中可以看出、200ns 死区时间是否提供了足够的裕量来防止击穿、同时保持电路高效运行？

    2) 2)还是应该使用 DT 50k、440ns？

    CH2采用差分探头 x50 = 14V/50 =~280mV

     此致、

    明亮  

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    尊敬的 Bright、

    我希望你的周末过得好。 我很高兴你能找出关于 OUTA 的问题!

    您的死区时间配置似乎就足够了。 将死区时间编程为 当前有效时间的两倍肯定会防止击穿、但这会导致效率显著降低。 我肯定会建议采集多个数据样本、以便更好地了解潜在击穿的"最坏情况"。 如果您的配置  在"最坏情况下"有足够的时间来防止击穿、那么它将适用于您的应用。

    此致、

    会的

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    您好、

    应用是超声波清洁器。  

    我正在空载测试电路、 我已经达到50V DC、高侧漏极和源极上的电压尖峰(振铃)几乎是50V 的两倍。 MOSFET 正变得很热(尚未冷却风扇)。  或许 400ns 死区时间对功率损耗的贡献不显著？

    之前的事故：我怀疑在332直流链路中、电压尖峰可能超过了 MOSFET 漏源电压、从而导致雪崩击穿和短路。  

    请提出任何意见。  

    此致、

    明亮

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    尊敬的 Bright、

    我绝对会仔细检查您的 MOSFET 规格、确保 其在使用时不会超过额定值。 死区时间应该足够长、 但是如果您认为有必要的话、您当然可以增加电阻器。

    此致、

    会的

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    您好、

    MOSFET 为 sihp24n80ae、800V

    散热器是 HSEB20380040H01

    增大栅极电阻器会 减慢开启/关闭速度。 升高的价值是什么？

    此致、

    明亮

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    尊敬的 Bright、

    请随时查看这些产品的数据表、因为我只能提供有关栅极驱动器的建议。 关于栅极电阻器的问题、您能不能再说明一下？ 如果您在寻找更短的导通/关断时间、您可以减小栅极电阻、但我们建议您将其保持在 UCC21550数据表中规定的建议值范围内。

    此致、

    会的

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    您好、

    谢谢你。  

    推荐的栅极电阻器是多少？ 1-10欧姆？

    此致、

    明亮

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    尊敬的 Bright、

    对于 R_ON 和 R_OFF、您可以按照 UCC2155x 数据表第29页的公式进行计算。 对于 R_GS、我们建议在5.1kΩ 和20kΩ 之间连接一个电阻器。

    此致、

    会的

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    您好、

    我想您已经指定了栅极下拉电阻器的电阻器范围、而不是栅极的外部电阻器(R_ON、R_OFF)、我怀疑这大约是1-10欧姆。  

    此致、

    明亮

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    尊敬的 Bright、

    我之前发送到数据表第29页的链接显示了可用于测量 R_ON 和 R_OFF 的公式。

    https://www.ti.com/lit/ds/symlink/ucc21550.pdf#page=29

    此致、

    会的

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    您好、  

    我之前提到的是栅极电阻器而非下拉电阻器(R_ON、R_OFF)

    此致、

    明亮

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    尊敬的 Bright、

    我明白你现在所指的是什么。  1Ω-10Ω 应该就足够了。 请随时浏览此技术手册页面、其中进一步说明了栅极电阻器的选择：

    https://www.ti.com/lit/ab/slla385a/slla385a.pdf?ts = 1720473712194&ref_url=https%253A%252F%252Fconfluence.itg.ti.com%252F

    此致、

    会的

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    非常感谢

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    您好、

    我会逐渐把直流链路电压升高5V、直流50 V 时、高侧 MOSFET 的温度为30摄氏度、而低侧 MOSFET (安装在散热器上)会变得很热、高达70摄氏度、即使风扇冷却、它仍然上升到70度。  

    VDDA 和 B 为12.7V、栅极电阻为10欧姆

    1)可能是什么原因?

    2) 2)它是否与 PCB 布局有关？ 我之前在我们的对话中附上了这份报告。  

    此致、

    明亮

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    尊敬的 Bright、

    我首先要进行检查、以确保 MOSFET 没有出现故障或电源未超出数据表中规定的限值。 验证之后、您可以考虑发送每个 MOSFET 的电压和电流的任何波形、因为这可能有助于确定任何发热的根本原因。

    此致、

    会的

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    您好、  

    感谢您的回答、我将波形附在下面。 让我知道它是否足够清楚。 MOSFET 为800V、 SIHP24N80AE-GE3

    高侧为蓝色 x50探头

    低侧为黄色 x10探针。  

    e2e.ti.com/.../MicrosoftTeams_2D00_video.mp4

    此致、

    明亮

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    您好、

    从上面的波形可以看出、由于高侧和低侧 MOSFET 上的电压部分重叠、我怀疑存在跨导风险(击穿) 、并导致流过 MOSFET 的电流增加、这意味着高功率耗散。

    PSU 电流限制设置为430mA。 在40V DC 时、电流消耗为30mA、所得到的波形更清晰。 但当增加到50V DC 时、电流消耗达到430mA 的设定限值、PSU 上的电压降至46VDC、电流430mA。 低侧 MOSFET 温度立即在超过70摄氏度时达到尖峰、并且在我将电路断电之前会增加。  

    我怀疑跨导的风险 是低侧 MOSFET 升温且重叠、因为在其线性区域(部分转动)中运行时漏源极上的电阻会增加。

    1)你怎么看？  

    2)如何纠正?

    此致、

    明亮

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    尊敬的 Bright、

    似乎可能涉及到击穿。  增加死区时间可以 解决这个问题。 请告诉我、您的系统在增加死区时间后是否会继续此行为。

    此致、

    会的