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电源和电机驱动应用中两种MOS冗余驱动方案分析

工程师
2021-11-19 23:46:38    评分

在电源和电机驱动应用中,功率MOS可以在不同的调制方式下,实现相应的能量转换功能。单个MOS驱动的结构如图1所示,通过MCU的 PWM模块调整占空比,控制功率MOS的通断,达到相应的功能。另外,在一些过压,过流和过载工况下,功率MOS很容易损坏,从而造成整个驱动板的失效,甚至存在起火的风险。本文提出两个冗余驱动线路,可以有效避免MOS单点失效的负面影响。

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1:典型的有刷电动工具驱动系统

如图2所示,通过冗余的驱动和功率MOS,可以实现驱动的冗余,有效地隔离MOS失效的故障。在本设计中,驱动线路是完全隔离的,即驱动的原边和副边是隔离,驱动通道1和通道2是隔离。即使MOS失效,比如任意MOS短路,系统的高压并不能传导到低压,从而实现故障隔离。

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2:双管冗余驱动方案

双管冗余驱动方案的设计要点如下:

  • 可以采用两个单通道的隔离驱动IC,如果采用隔离半桥驱动芯片,芯片需要支持overlap模式。

  • 输入通道的供电通过电阻和二极管连接到驱动供电轨。当下管导通时,驱动电压轨通过自举二极管为自举电容充电,自举电容上的电压可以为上桥臂驱动模块供电。

  • 自举二极管击穿电压大于母线电压。

  • 隔离IC的隔离工作电压大于母线电压。

  • PWM输入信号,经过RC滤波网络,避免输入干扰信号。

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3:典型的有刷电动工具驱动系统

UCC21225A 是隔离的双通道驱动芯片,原边供电电压3V-18V,副边供电电压6.5V – 25V,驱动延迟时间18ns,CMTI为100V/ns,驱动能力4A/6A,隔离等级为2500Vrms(在UL1577标准下)。UCC21225A根据外围线路,支持两通道的低边驱动,两通道的高边驱动和半桥驱动。在本文中,通过配置DT引脚,UCC21225工作在overlap模式。

1UCC21225A的参数表

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)

同时,UCC21225A具备隔离驱动的特性,输入和输出是隔离的,两个驱动通道之间也是隔离的。TI技术说明文档“Understanding failure modes in isolators”,详细给出了隔离器件的失效模式。由该文档可知,在失效模式2下,输入模块、隔离驱动模块1和隔离驱动模块2中的任一一个模块发生故障(短路或者开路),不会击穿绝缘基,即故障不会传导到其他模块。根据以上分析,MOS的不同形式的单点失效,对系统的影响如表格2所示。

2MOS不同失效下系统的影响

MOS失效模式

影响

任意MOS的DS短路

系统功能正常;高压不会传导到驱动,IC功能正常。

任意MOS的GD短路

系统功能正常,高压会损坏UCC21225A的MOS对应的驱动模块,但是UCC21225A的其他部分工作正常;由于自举二极管的存在,功率回路的高压不会传导到驱动供电轨,对系统其他部分无影响。

任意MOS的GS短路

系统功能正常;如果失效发生在上桥臂MOS,高压会损坏UCC21225A的失效MOS对应的驱动模块,UCC21225A的其他部分工作正常,由于自举二极管的作用,功率回路的高压不会传导到驱动供电轨,对系统其他部分无影响;如果失效发生在下桥臂MOS,UCC21225不会损坏。

任意MOS的GDS短路

系统功能正常,高压会损坏UCC21225A的MOS对应的模块,但是UCC21225A的其他部分工作正常;由于自举二极管的存在,功率回路的高压不会传导到驱动供电轨,对系统其他部分无影响。

任一MOS的GS开路

功率回路安全断开,功能性失效;高压不会损坏驱动,IC功能正常。

任一MOS的DS开路

功率回路安全断开,功能性失效;高压不会损坏驱动,IC功能正常。

通过以上分析得知,在单个MOS的DS、GD、GS、GDS短路等失效条件下,可以保证系统功能正常,阻断故障点的扩大。但是在单个MOS的GS和DS开路失效条件下,功率回路断开,系统可靠关断。同时,如果双管冗余驱动方案中的隔离半桥驱动,采用支持overlap的非隔离半桥驱动,对于单个MOS的DS短路故障,可以做到良好的隔离,对于MOS的GD、GS和GDS短路失效,会造成驱动IC损坏,系统功能损坏。

双管冗余驱动方案在MOS的GS和DS开路失效下,系统的功能异常,在双管冗余驱动方案上进一步改进,将MOS和驱动线路加倍,双路MOS并联在一起,可以保证在MOS的GS和DS开路失效条件下,系统功能正常。

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4:四管冗余驱动线路

最后,虽然本文给出的示例都是低侧MOS驱动,在提供隔离驱动电压轨下,该方案也可以拓展到高侧MOS驱动。双管冗余和四管冗余驱动线路的优缺点如下:

3双管冗余和四管冗余驱动方案的优缺点分析

MOS失效模式

优点

缺点

双管冗余驱动方案

1.在单个MOS的DS、GD、GS、GDS短路等失效下,隔离故障点,系统功能正常;

2.在单个MOS的DS、GS开路等失效下,隔离故障点,系统可靠关断。

1.考虑到上桥臂的驱动供电,对最小同占空比和上电时序由具体要求,控制逻辑复杂。

2.由于MOS的本身特性不对称,驱动IC的两个通道的信号传输延迟差异,MOS开通/关端特性不一致,造成可能性的震荡,PWM频率上限会减低,开关损耗也会增加;

3对于双管冗余方案,由于MOS数量加倍,导通损耗加倍;

4.没有故障诊断,无法定位故障点;

5.成本上升;

四管冗余驱动方案

1.在单个MOS的DS、GD、GS、GDS短路,以及单个MOS的DS、GS开路失效下,隔离故障,系统功能正常。


本文给出两种MOS的冗余驱动线路,可以有效避免MOS单点故障造成的影响,在MOS的DS、GD、GS、GDS短路等条件下,双管冗余驱动可以保证系统功能正常,阻断故障点的扩大。同时四管冗余驱动,可以保证系统在MOS的任意单点故障下,隔离故障,系统功能正常。




高工
2021-11-20 08:38:54    评分
2楼

学习了,谢谢楼主的分享,辛苦了


高工
2021-11-20 09:26:16    评分
3楼

感谢分享


专家
2021-11-20 17:06:48    评分
4楼

谢谢楼主分享!


高工
2021-11-20 17:36:16    评分
5楼

感谢分享


专家
2021-11-20 20:02:23    评分
6楼

谢谢分享


工程师
2021-11-20 20:16:36    评分
7楼

666


专家
2021-11-21 07:30:59    评分
8楼

感谢分享


工程师
2021-11-21 07:58:24    评分
9楼

谢谢分享


专家
2021-11-21 08:10:53    评分
10楼

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