Compañeros, estoy usando el UCC21520 para la entrada rectificada con SPWM y en la forma de onda del lado alto aparece un hundimiento. Si la entrada es una onda PWM, no se produce el hundimiento. ¿Será que el tiempo de carga del bootstrap no es suficiente? ¿Cómo debería solucionarlo? En la figura 1 se muestra la onda SP de entrada con un índice de modulación de 1; al reducirlo a 0.6, todavía aparece un pequeño hundimiento. La figura 2 es la forma de onda de salida del lado alto. La figura 3 es el esquema. Agradecería mucho su orientación.
Primero expliquemos bien el mecanismo y luego te diré por qué no conviene ir por el camino de «aumentar el condensador bootstrap».
Tu dirección de diagnóstico es correcta: esto es inanición del bootstrap. Cuando el índice de modulación SPWM se lleva a 1, el ciclo de trabajo en la zona de pico de la senoide se acerca al 100%, el interruptor de lado bajo casi no se enciende en cada periodo de portadora, el condensador bootstrap no tiene ventana de recarga y VDDA−VSSA cae sin parar; al bajar por debajo de 8,2 V (el UCC21520DWR es la versión con UVLO de 8 V) el driver se apaga y la forma de onda se derrumba en un tramo: con PWM de ciclo de trabajo fijo hay ventana de lado bajo en cada periodo, por eso sale limpio. La lógica es totalmente coherente.
Pero, echando las cuentas, verás que el condensador no es en absoluto el cuello de botella:
Condensador bootstrap de 10,1 µF (100 nF + 10 µF)
Corriente de reposo del driver: como máximo 1,8 mA; con m=1, la zona de pico con ciclo de trabajo >97 % dura unos 1,5 ms
Consumo en reposo 2,7 µC, más unos 1,8 µC de carga de puerta en los flancos de conmutación: 4,5 µC en total
4,5 µC / 10,1 µF ≈ caída de 0,45 V
De 11,3 V (12 V menos la caída del diodo) hasta el umbral UVLO de 8,2 V hay 2,6 V de margen
0,45 V frente a 2,6 V: sobra casi un orden de magnitud. La capacidad es suficiente; aumentarla no sirve de nada.
Entonces, ¿adónde va la carga? Mirando la figura 3 me fijé en un componente: el diodo bootstrap D7 es un RS1M, con un trr de unos 500 ns. Tu bus es alta tensión rectificada; cada flanco de subida del nodo SW se lleva instantáneamente a varios cientos de voltios, y durante la recuperación inversa de este diodo lento se extrae carga de VDDA hacia 12 V: roba una vez en cada flanco de conmutación, todo el tiempo. Esto explica a la vez tus dos fenómenos:
La tensión media del bootstrap queda continuamente deprimida, por eso con m=0,6 el ciclo de trabajo máximo solo llega a 60~80 % y, aunque no debería sufrir inanición, también hay pequeños hundimientos;
En la zona de pico con m=1 no hay reposición, lo almacenado se agota y cae por debajo de UVLO: todo el tramo se derrumba.
Orden de acciones sugerido:
Mide VDDA−VSSA con sonda diferencial y captúralo sincronizado con OUTA: si en el hundimiento VDDA cae a la vez, queda confirmado el problema de alimentación; si VDDA está plano pero OUTA se hunde, el problema está en la ruta de salida del driver o en tu propia forma de medir (en el lado de alta tensión no uses una pinza de tierra larga);
Cambia el diodo bootstrap: UF4007 (trr 75 ns), ES1J o un Schottky de SiC; es cuestión de cambiar un componente, prueba esto primero;
En software, limita el ciclo de trabajo máximo al 95~97 %, para garantizar al menos una ventana de recarga por el lado bajo en cada periodo de portadora; perder unos puntos de amplitud de salida a cambio de estabilidad es lo que hacen todos los inversores;
Si quieres operar al 100 % de ciclo de trabajo, no uses bootstrap: el UCC21520 es un driver aislado y, para el lado alto, lo correcto es usar un DC-DC aislado; con un B0512S basta.
Ya me he topado con este problema: la forma de onda era casi idéntica; con PWM fijo no pasaba nada, pero en cuanto entraba el SPWM aparecía un hueco en el pico.
Al principio también sospeché que el tiempo de carga no era suficiente, bajé la resistencia de bootstrap de 10 Ω a 2,2 Ω y subí el condensador de 0,47 µF a 2,2 µF. La muesca se hizo algo más superficial, pero con el índice de modulación a 1 seguía apareciendo. Luego medí VDDB respecto a VS con una sonda diferencial y vi que, en el tramo del pico, la tensión caía sin parar; cuando bajaba por debajo del umbral de UVLO, el driver se apagaba, y la muesca era justo lo que dejaba el UVLO. Fue entonces cuando entendí que el lado bajo casi no tiene tiempo de conducción cerca del pico y el condensador no tiene ninguna oportunidad de cargarse.
Al hacer el cambio también me equivoqué con la tensión nominal. La tensión nominal del condensador de bootstrap se elige según VDD, no según el bus. Cuando conduce el lado alto, la tensión entre los extremos del condensador sigue siendo VDD; lo que ocurre es que todo el potencial del condensador se eleva por encima del bus. El que sí debe elegirse con una tensión nominal según el bus es el diodo de bootstrap, que en inversa tiene que soportar toda la tensión del bus. Al principio confundí ambas cosas: el diodo no tenía suficiente tensión nominal y, en cuanto subía el bus, había fuga. Al final lo cambié por un diodo de recuperación rápida de 100 V y quedó estable; para un bus de decenas de voltios es suficiente, y si el bus es más alto, deja al menos el doble de margen respecto a su tensión. En cuanto al condensador, si VDD es 12 V, 25 V de tensión nominal bastan; pero un X7R de tamaño pequeño pierde capacidad bajo polarización DC, así que elegir un modelo de 50 V y bajo ESR da más tranquilidad. Después de aumentar el condensador, también hay que ver si el diodo soporta el pico de carga en el momento de encender; no uses un encapsulado demasiado pequeño.
Por último, añadí un módulo de alimentación aislada en cada lado alto y la muesca desapareció directamente. Si no quieres modificar la placa, primero limita el índice de modulación máximo a 0,9 y fíjate si la muesca desaparece; así lo puedes verificar rápido. Para funcionar a pleno índice de modulación, el enfoque de bootstrap no aguanta.
El bootstrap y un índice de modulación alto son una mala combinación. El condensador es una batería pequeña que solo se carga mientras el lado bajo está encendido. En el pico de la sinusoide, el lado alto está encendido durante casi todo el período de conmutación, así que el lado bajo apenas si lo está. El condensador se descarga por la corriente de reposo del driver y la carga de compuerta, la tensión del riel cae, se dispara el UVLO y aparece una muesca. La señal SPWM no tiene nada de malo. El problema es el esquema de polarización.
Puedes hacer más lenta la caída con un condensador más grande, un diodo más rápido y una resistencia en serie más pequeña. Puedes reducir la muesca limitando el ciclo de trabajo. No puedes hacer que desaparezca con m = 1 usando bootstrap, porque el mismo condensador tiene que ser lo bastante grande como para aguantar el pico y lo bastante pequeño como para recargarse en el mínimo tiempo del lado bajo que queda. Esas dos condiciones convergen en cero.
Para una unidad única, un pequeño módulo aislado por cada driver de lado alto es la solución menos dolorosa. Elige uno con baja capacitancia de aislamiento; de lo contrario, la corriente de modo común te pasará factura. Para un producto, usa un driver con bomba de carga integrada o diseña una fuente de polarización flotante adecuada. El bootstrap va bien para un reductor o un medio puente que nunca opere cerca del 100% del ciclo de trabajo. Un puente modulado sinusoidalmente no es ese caso.
Pon una fuente de alimentación aislada para alimentar VDDA y VDDB, porque si no, no estás aprovechando las ventajas de tu driver de puerta aislado y más vale usar un driver de puerta normal.
