兩種MOS冗余驅動方案

[ 產品新聞 ] MOS、冗余驅動 2021-10-15 10:11:29

Other Parts Discussed in Post:?UCC21225A

作者：Jimmy Zhou

在電源和電機驅動應用中，功率MOS可以在不同的調制方式下，實現相應的能量轉換功能。單個MOS驅動的結構如圖1所示，通過MCU的 PWM模塊調整占空比，控制功率MOS的通斷，達到相應的功能。另外，在一些過壓，過流和過載工況下，功率MOS很容易損壞，從而造成整個驅動板的失效，甚至存在起火的風險。本文提出兩個冗余驅動線路，可以有效避免MOS單點失效的負面影響。

圖1：典型的有刷電動工具驅動系統

如圖2所示，通過冗余的驅動和功率MOS，可以實現驅動的冗余，有效地隔離MOS失效的故障。在本設計中，驅動線路是完全隔離的，即驅動的原邊和副邊是隔離，驅動通道1和通道2是隔離。即使MOS失效，比如任意MOS短路，系統的高壓并不能傳導到低壓，從而實現故障隔離。

圖2：雙管冗余驅動方案

雙管冗余驅動方案的設計要點如下：

可以采用兩個單通道的隔離驅動IC，如果采用隔離半橋驅動芯片，芯片需要支持overlap模式。
輸入通道的供電通過電阻和二極管連接到驅動供電軌。當下管導通時，驅動電壓軌通過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動模塊供電。
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，經過RC濾波網絡，避免輸入干擾信號。

圖3：典型的有刷電動工具驅動系統

UCC21225A 是隔離的雙通道驅動芯片，原邊供電電壓3V-18V，副邊供電電壓6.5V – 25V，驅動延遲時間18ns，CMTI為100V/ns，驅動能力4A/6A，隔離等級為2500Vrms（在UL1577標準下）。UCC21225A根據外圍線路，支持兩通道的低邊驅動，兩通道的高邊驅動和半橋驅動。在本文中，通過配置DT引腳，UCC21225工作在overlap模式。

表1：UCC21225A的參數表

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，UCC21225A具備隔離驅動的特性，輸入和輸出是隔離的，兩個驅動通道之間也是隔離的。TI技術說明文檔“Understanding failure modes in isolators”，詳細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、隔離驅動模塊1和隔離驅動模塊2中的任一一個模塊發生故障（短路或者開路），不會擊穿絕緣基，即故障不會傳導到其他模塊。根據以上分析，MOS的不同形式的單點失效，對系統的影響如表格2所示。

表2：MOS不同失效下系統的影響

MOS失效模式	影響
任意MOS的DS短路	系統功能正常；高壓不會傳導到驅動，IC功能正常。
任意MOS的GD短路	系統功能正常，高壓會損壞UCC21225A的MOS對應的驅動模塊，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傳導到驅動供電軌，對系統其他部分無影響。
任意MOS的GS短路	系統功能正常；如果失效發生在上橋臂MOS，高壓會損壞UCC21225A的失效MOS對應的驅動模塊，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傳導到驅動供電軌，對系統其他部分無影響；如果失效發生在下橋臂MOS，UCC21225不會損壞。
任意MOS的GDS短路	系統功能正常，高壓會損壞UCC21225A的MOS對應的模塊，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傳導到驅動供電軌，對系統其他部分無影響。
任一MOS的GS開路	功率回路安全斷開，功能性失效；高壓不會損壞驅動，IC功能正常。
任一MOS的DS開路	功率回路安全斷開，功能性失效；高壓不會損壞驅動，IC功能正常。

通過以上分析得知，在單個MOS的DS、GD、GS、GDS短路等失效條件下，可以保證系統功能正常，阻斷故障點的擴大。但是在單個MOS的GS和DS開路失效條件下，功率回路斷開，系統可靠關斷。同時，如果雙管冗余驅動方案中的隔離半橋驅動，采用支持overlap的非隔離半橋驅動，對于單個MOS的DS短路故障，可以做到良好的隔離，對于MOS的GD、GS和GDS短路失效，會造成驅動IC損壞，系統功能損壞。

雙管冗余驅動方案在MOS的GS和DS開路失效下，系統的功能異常，在雙管冗余驅動方案上進一步改進，將MOS和驅動線路加倍，雙路MOS并聯在一起，可以保證在MOS的GS和DS開路失效條件下，系統功能正常。

圖4：四管冗余驅動線路

最后，雖然本文給出的示例都是低側MOS驅動，在提供隔離驅動電壓軌下，該方案也可以拓展到高側MOS驅動。雙管冗余和四管冗余驅動線路的優缺點如下：

表3：雙管冗余和四管冗余驅動方案的優缺點分析

MOS失效模式

優點

缺點

雙管冗余驅動方案

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

2.在單個MOS的DS、GS開路等失效下，隔離故障點，系統可靠關斷。

1.考慮到上橋臂的驅動供電，對最小同占空比和上電時序由具體要求，控制邏輯復雜。

2.由于MOS的本身特性不對稱，驅動IC的兩個通道的信號傳輸延遲差異，MOS開通/關端特性不一致，造成可能性的震蕩，PWM頻率上限會減低，開關損耗也會增加；

3對于雙管冗余方案，由于MOS數量加倍，導通損耗加倍；

4.沒有故障診斷，無法定位故障點；

5.成本上升；

四管冗余驅動方案

1.在單個MOS的DS、GD、GS、GDS短路，以及單個MOS的DS、GS開路失效下，隔離故障，系統功能正常。

本文給出兩種MOS的冗余驅動線路，可以有效避免MOS單點故障造成的影響，在MOS的DS、GD、GS、GDS短路等條件下，雙管冗余驅動可以保證系統功能正常，阻斷故障點的擴大。同時四管冗余驅動，可以保證系統在MOS的任意單點故障下，隔離故障，系統功能正常。

其他信息

UCC21225A應用手冊：https://www.ti.com/lit/ds/symlink/ucc21225a.pdf
容性隔離期間失效模式分析：https://www.ti.com/lit/wp/slyy081a/slyy081a.pdf