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[参考译文] UCC21521:栅极驱动器在启动情况下出现故障

Guru**** 1886445 points
Other Parts Discussed in Thread: UCC21551, UCC21520, UCC21521, UCC21550
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/1397536/ucc21521-gate-driver-getting-failed-during-start-up-condition

器件型号:UCC21521
"主题"中讨论的其他器件: UCC21550、UCC21520、UCC21551

工具与软件:

您好!

我将使用一个栅极驱动器信号来并联驱动两个 FET、以管理 H 桥配置(<75A)中电机的电流要求。

但是、当栅极驱动器由 VCC 输入(3.3V)供电时、会观察到 UCC21521驱动器故障。 具体而言、低侧栅极驱动器部分会发生故障。

电路原理图供您参考。

栅极驱动器设计要求  

功率晶体管 - NVHL027N65S3F

VCC - 5.0V

VDD - 15V

输入信号振幅为3.3V

开关频率(fs)-20kHz

直流链路电压-150 V

我很不清楚故障的根本原因. 为了解决这个问题、我需要您在相同方面的专业知识。   

  • 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。

    尊敬的 GP:

    您能否改用 UCC21550? 我们根据 UCC21520反馈在更新后的设计中解决了很多问题。

    UCC21520的输出级过快、由于 Vgs 环路电感、它可以足够快地中断 Igate 以导致 Vdd > 30V abs 最大值。

    这是很多故障的根本原因。 UCC21551中不可能存在该问题、该器件具有两个并联保护电路。 此外、在 UCC21551 (过压应力测试)的晶圆生产过程中添加了更多的质量控制、以消除大型氧化层中存在缺陷的装置。

    是否可以改用我们更新后的器件?  

    此致、

    Sean  

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    你好、Sean、

    感谢您的答复。

    UCC21550的外形、适用性、功能是否与 UCC21521相同? 如果需要、我可以并行测试。

    同时、对栅极驱动器原理图进行任何修改是否有助于应对当前的问题?

    引入最佳栅极电阻以减慢 Igate 斜升或软启动 电容以减慢 dv/dt 上升?

    如果我们在外部添加保护电路、它有什么帮助吗?

    请告知...

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    是的、它是直接替代产品。  

    您始终可以减慢开关速度、但这会降低开关效率。 您可以尝试在电源两端使用15V TVS 二极管、但可能无法接近电压尖峰以防止损坏。 如果您无法使用修订后的器件、则值得一试。

    此致、

    Sean

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    你好、Sean、

    感谢您的建议。

    我们在 MOSFET 驱动器 UCC21521电源电压(VDD15V)上尝试了 TVS 二极管 SMBJ15A-E3/52 (关断电压15V)来钳制超过25V 的瞬态电压。

    正如预期的那样、TVS 二极管 在超过25V 及以上时会钳制快速瞬变。 但是、我们仍然无法避免 以随机方式发生的 UCC21521故障。  

    我们将 UCC21521替换为 UCC21551、这是潜在的领跑者。 但是、即使电源线上有 TVS 二极管、低侧电源部分仍然存在故障(VDDB 和 VSSB 之间存在短路情况)。

     

     同样、您需要相同的输入以解决问题。

      

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    尊敬的 GP:

    UCC21551在 TVS 二极管上出现故障? 这是一款非常稳健的器件。 电路本身可能有问题。 通常、这些问题可归结为高压开关节点振铃、解决方案是更好的高压去耦。

    电源短路故障是否发生在与之前相同的相位的低侧? 可以同时测量电源和输出电压吗? 您是否还可以测量150V 开关节点?

    此致、

    Sean

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    你好、Sean、

    正如您提到的、MOSFET 关断时的高压开关节点振铃可能是导致该问题的潜在原因。

     在 MOSFET 漏极源之间添加无源缓冲器电路(串联 RC 网络)是否有助于将开关节点振铃频率降低到可接受的裕度?

    我想简要介绍一下 MOSFET 驱动器故障情况、以便缩小潜在原因的范围。

    1. BLDC 电机运行是 具有 PI 闭环控制的二象限(正向和反向)  

      V_Drive:100V 至150V 并且  I_Drive:75A (最大值)

    对于电机正向(按时钟)运动控制、以下是 MOSFET 驱动器的输入

    > MOSFET 驱动器 INA 电压:0 V-->5 V(低到高转换100%占空比),用于高侧驱动器输出驱动, Vdd=15。

                 INB 电压:0V->5V (50%~100%占空比@20kHz 时从低到高转换)、适用于 Vdd=15时的低侧驱动器输出驱动。

                 死区时间:3.6uS

    对于反向(按时钟计数器)运动控制、      

    > MOSFET 驱动器 INA 电压: 0V->5V (低到高转换50%~100%占空比@20kHz ),适用于高侧驱动器输出驱动, Vdd=15。

                 INB 电压: 0V->5V (100%占空比的低到高转换)、用于低侧驱动器输出驱动、Vdd=15。

    当控制系统在线时、可通过方向输入(5V ->顺时针和0V ->逆时针)正向或反向操作 BLDC 电机  

    考虑到 MOSFET 驱动器  通过方向输入(5V ->顺时针)正向驱动电机、如果我们通过改变方向输入将电机方向从正向更改为反向、则会发生 MOSFET 驱动器低侧故障。

    请将您的反馈意见告知相同。                  

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    尊敬的 GP:

    您可以在 HV 总线上添加缓冲器、因为开关节点在振铃时将短接至 V+或 V-。 这意味着缓冲电容器在每个开关周期无需充电和放电。 此外、有大量的功率需要缓冲。 正常的电阻器将烧毁。 我已经成功将电解电容器与 ESR 结合使用作为 RC 缓冲器、它们的大型封装能够处理缓冲器损耗。 可能值得一试。

    您还可以尝试不同的 FET。 较高的 Rdson FET 通常具有较低的电容、这是开关节点振铃的一个关键因素。 FET 过大有时也会导致米勒注入和击穿问题。 您应该调整 FET 的 Rdson 和 Id 额定值、如果您尚未这么做、并且正在使用极低的 Rdson FET。

    对于我而言、摆脱开关节点振铃是一个基于布局的迭代过程。 有时需要花一段时间才能对给定设计正好实现 LDRAIN、Cswitch_node 和 RC 缓冲器(电解损耗正切)的均衡。 对布局的微调更像是一种艺术而不是一种科学。

    此致、

    Sean