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15

2021

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電源和電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中兩種MOS冗余驅(qū)動(dòng)方案分析

【概要描述】電源和電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中兩種MOS冗余驅(qū)動(dòng)方案分析

電源和電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中兩種MOS冗余驅(qū)動(dòng)方案分析

在電源和電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，功率MOS可以在不同的調(diào)制方式下，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換功能。單個(gè)MOS驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，通過(guò)MCU的 PWM模塊調(diào)整占空比，控制功率MOS的通斷，達(dá)到相應(yīng)的功能。另外，在一些過(guò)壓，過(guò)流和過(guò)載工況下，功率MOS很容易損壞，從而造成整個(gè)驅(qū)動(dòng)板的失效，甚至存在起火的風(fēng)險(xiǎn)。本文提出兩個(gè)冗余驅(qū)動(dòng)線路，可以有效避免MOS單點(diǎn)失效的負(fù)面影響。

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圖1：典型的有刷電動(dòng)工具驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

如圖2所示，通過(guò)冗余的驅(qū)動(dòng)和功率MOS，可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)的冗余，有效地隔離MOS失效的故障。在本設(shè)計(jì)中，驅(qū)動(dòng)線路是完全隔離的，即驅(qū)動(dòng)的原邊和副邊是隔離，驅(qū)動(dòng)通道1和通道2是隔離。即使MOS失效，比如任意MOS短路，系統(tǒng)的高壓并不能傳導(dǎo)到低壓，從而實(shí)現(xiàn)故障隔離。

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圖2：雙管冗余驅(qū)動(dòng)方案

雙管冗余驅(qū)動(dòng)方案的設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：

  • 可以采用兩個(gè)單通道的隔離驅(qū)動(dòng)IC，如果采用隔離半橋驅(qū)動(dòng)芯片，芯片需要支持overlap模式。
  • 輸入通道的供電通過(guò)電阻和二極管連接到驅(qū)動(dòng)供電軌。當(dāng)下管導(dǎo)通時(shí)，驅(qū)動(dòng)電壓軌通過(guò)自舉二極管為自舉電容充電，自舉電容上的電壓可以為上橋臂驅(qū)動(dòng)模塊供電。
  • 自舉二極管擊穿電壓大于母線電壓。
  • 隔離IC的隔離工作電壓大于母線電壓。
  • PWM輸入信號(hào)，經(jīng)過(guò)RC濾波網(wǎng)絡(luò)，避免輸入干擾信號(hào)。

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圖3：典型的有刷電動(dòng)工具驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

UCC21225A 是隔離的雙通道驅(qū)動(dòng)芯片，原邊供電電壓3V-18V，副邊供電電壓6.5V – 25V，驅(qū)動(dòng)延遲時(shí)間18ns，CMTI為100V/ns，驅(qū)動(dòng)能力4A/6A，隔離等級(jí)為2500Vrms（在UL1577標(biāo)準(zhǔn)下）。UCC21225A根據(jù)外圍線路，支持兩通道的低邊驅(qū)動(dòng)，兩通道的高邊驅(qū)動(dòng)和半橋驅(qū)動(dòng)。在本文中，通過(guò)配置DT引腳，UCC21225工作在overlap模式。

表1：UCC21225A的參數(shù)表

Device

Output current

Isolation rating

Input VCC

Output VDD

CMTI

Package

 

UCC21225A

4A/6A

2500Vrms

3V-18V

6.5V–25V

100V/ns

VLGA(5mm×5mm)

同時(shí)，UCC21225A具備隔離驅(qū)動(dòng)的特性，輸入和輸出是隔離的，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)通道之間也是隔離的。TI技術(shù)說(shuō)明文檔“Understanding failure modes in isolators”，詳細(xì)給出了隔離器件的失效模式。由該文檔可知，在失效模式2下，輸入模塊、隔離驅(qū)動(dòng)模塊1和隔離驅(qū)動(dòng)模塊2中的任一一個(gè)模塊發(fā)生故障（短路或者開(kāi)路），不會(huì)擊穿絕緣基，即故障不會(huì)傳導(dǎo)到其他模塊。根據(jù)以上分析，MOS的不同形式的單點(diǎn)失效，對(duì)系統(tǒng)的影響如表格2所示。

表2：MOS不同失效下系統(tǒng)的影響

MOS失效模式

影響

任意MOS的DS短路

系統(tǒng)功能正常；高壓不會(huì)傳導(dǎo)到驅(qū)動(dòng)，IC功能正常。

任意MOS的GD短路

系統(tǒng)功能正常，高壓會(huì)損壞UCC21225A的MOS對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)模塊，但是UCC21225A的其他部分工作正常；由于自舉二極管的存在，功率回路的高壓不會(huì)傳導(dǎo)到驅(qū)動(dòng)供電軌，對(duì)系統(tǒng)其他部分無(wú)影響。

任意MOS的GS短路

系統(tǒng)功能正常；如果失效發(fā)生在上橋臂MOS，高壓會(huì)損壞UCC21225A的失效MOS對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)模塊，UCC21225A的其他部分工作正常，由于自舉二極管的作用，功率回路的高壓不會(huì)傳導(dǎo)到驅(qū)動(dòng)供電軌，對(duì)系統(tǒng)其他部分無(wú)影響；如果失效發(fā)生在下橋臂MOS，UCC21225不會(huì)損壞。

任意MOS的GDS短路

系統(tǒng)功能正常，高壓會(huì)損壞UCC21225A的MOS對(duì)應(yīng)的模塊，但是UCC21225A的其他部分工作正常；由于自舉二極管的存在，功率回路的高壓不會(huì)傳導(dǎo)到驅(qū)動(dòng)供電軌，對(duì)系統(tǒng)其他部分無(wú)影響。

任一MOS的GS開(kāi)路

功率回路安全斷開(kāi)，功能性失效；高壓不會(huì)損壞驅(qū)動(dòng)，IC功能正常。

任一MOS的DS開(kāi)路

功率回路安全斷開(kāi)，功能性失效；高壓不會(huì)損壞驅(qū)動(dòng)，IC功能正常。

通過(guò)以上分析得知，在單個(gè)MOS的DS、GD、GS、GDS短路等失效條件下，可以保證系統(tǒng)功能正常，阻斷故障點(diǎn)的擴(kuò)大。但是在單個(gè)MOS的GS和DS開(kāi)路失效條件下，功率回路斷開(kāi)，系統(tǒng)可靠關(guān)斷。同時(shí)，如果雙管冗余驅(qū)動(dòng)方案中的隔離半橋驅(qū)動(dòng)，采用支持overlap的非隔離半橋驅(qū)動(dòng)，對(duì)于單個(gè)MOS的DS短路故障，可以做到良好的隔離，對(duì)于MOS的GD、GS和GDS短路失效，會(huì)造成驅(qū)動(dòng)IC損壞，系統(tǒng)功能損壞。

雙管冗余驅(qū)動(dòng)方案在MOS的GS和DS開(kāi)路失效下，系統(tǒng)的功能異常，在雙管冗余驅(qū)動(dòng)方案上進(jìn)一步改進(jìn)，將MOS和驅(qū)動(dòng)線路加倍，雙路MOS并聯(lián)在一起，可以保證在MOS的GS和DS開(kāi)路失效條件下，系統(tǒng)功能正常。

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圖4：四管冗余驅(qū)動(dòng)線路

最后，雖然本文給出的示例都是低側(cè)MOS驅(qū)動(dòng)，在提供隔離驅(qū)動(dòng)電壓軌下，該方案也可以拓展到高側(cè)MOS驅(qū)動(dòng)。雙管冗余和四管冗余驅(qū)動(dòng)線路的優(yōu)缺點(diǎn)如下：

表3：雙管冗余和四管冗余驅(qū)動(dòng)方案的優(yōu)缺點(diǎn)分析

MOS失效模式

優(yōu)點(diǎn)

缺點(diǎn)

雙管冗余驅(qū)動(dòng)方案

1.在單個(gè)MOS的DS、GD、GS、GDS短路等失效下，隔離故障點(diǎn)，系統(tǒng)功能正常；

2.在單個(gè)MOS的DS、GS開(kāi)路等失效下，隔離故障點(diǎn)，系統(tǒng)可靠關(guān)斷。

 

1.考慮到上橋臂的驅(qū)動(dòng)供電，對(duì)最小同占空比和上電時(shí)序由具體要求，控制邏輯復(fù)雜。

2.由于MOS的本身特性不對(duì)稱，驅(qū)動(dòng)IC的兩個(gè)通道的信號(hào)傳輸延遲差異，MOS開(kāi)通/關(guān)端特性不一致，造成可能性的震蕩，PWM頻率上限會(huì)減低，開(kāi)關(guān)損耗也會(huì)增加；

3對(duì)于雙管冗余方案，由于MOS數(shù)量加倍，導(dǎo)通損耗加倍；

4.沒(méi)有故障診斷，無(wú)法定位故障點(diǎn)；

5.成本上升；

 

 

四管冗余驅(qū)動(dòng)方案

1.在單個(gè)MOS的DS、GD、GS、GDS短路，以及單個(gè)MOS的DS、GS開(kāi)路失效下，隔離故障，系統(tǒng)功能正常。

本文給出兩種MOS的冗余驅(qū)動(dòng)線路，可以有效避免MOS單點(diǎn)故障造成的影響，在MOS的DS、GD、GS、GDS短路等條件下，雙管冗余驅(qū)動(dòng)可以保證系統(tǒng)功能正常，阻斷故障點(diǎn)的擴(kuò)大。同時(shí)四管冗余驅(qū)動(dòng)，可以保證系統(tǒng)在MOS的任意單點(diǎn)故障下，隔離故障，系統(tǒng)功能正常。

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