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TOC\o"1-5"\h\z圖1典型的有刷電開工具驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)1圖2雙管冗余驅(qū)動(dòng)方案2圖3典型的有刷電開工具驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)2表1UCC21225A的參數(shù)表2表2Mos不同失效下系統(tǒng)的影響3圖4四管冗余驅(qū)動(dòng)線路4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4在電源和電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，功率M0S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)M0S驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，通過MCU的PWM模塊調(diào)整占空比，控制功率M0S的通斷，到達(dá)相應(yīng)的功能。另外，在一些過壓，過流和過載工況下，功率M0S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，可以有效防止M0S單點(diǎn)失效的負(fù)面影響。GateDriverLoad圖1典型的有刷電開工具驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)GateDriverLoad如圖2所示，通過冗余的驅(qū)動(dòng)和功率M0S,可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)的冗余，有效地隔離M0S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M0S失效，比方任意M0S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。

PWMflHkhVbltQSB一皿1圖PWMflHkhVbltQSB一皿1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RC濾波網(wǎng)絡(luò)，防止輸入干擾信號(hào)。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，通過配置DT弓|腳，UCC21225工作在overlap模式。表1UCC21225A的參數(shù)表第2頁共4頁

DEVICEOUTPUTCURRENTISOLATIONRATINGINPUTVCCOUTPUTVDDCMTIPACKAGEUCC21225A4A/6A2500Vrms3V-18V6.5V-25VlOOV/nsVLGA(5mmX5mm)同時(shí)、UCC2：1225A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)說明文檔Understandingfailuremodesinisolators",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，對系統(tǒng)的影響如表2所示。表2MOS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對應(yīng)的驅(qū)動(dòng)模塊，但是UCC21225A的其他局部工作正常；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，對系統(tǒng)其他局部無影響。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對應(yīng)的驅(qū)動(dòng)模塊，UCC21225A的其他局部工作正常，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，對系統(tǒng)其他局部無影響；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對應(yīng)的模塊，但是UCC21225A的其他局部工作正常；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，對系統(tǒng)其他局部無影響。任一MOS的GS開路功率回路平安斷開，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開路功率回路平安斷開，功能性失效；高壓不會(huì)損壞驅(qū)動(dòng)，IC功能正常。通過以上分析得知，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開路失效條件下，功率回路斷開，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)，對于單個(gè)MOS的第3頁共4頁

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(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開路失效條件下，系統(tǒng)功能正常。圖4四管冗余驅(qū)動(dòng)線路圖4四管冗余驅(qū)動(dòng)線路最后，雖然本文給出的例如都是低側(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.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；.在單個(gè)MOS的DS、GS開路等失效下，隔離故障點(diǎn)，系統(tǒng)可靠關(guān)斷。L考慮到上橋臂的驅(qū)動(dòng)供電，對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的本身特性不對稱，驅(qū)動(dòng)IC的兩個(gè)通道的信號(hào)傳輸延遲差異，MOS開通/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，開關(guān)損耗也會(huì)增加；3對于雙管冗余方案，由于MOS數(shù)量加倍，導(dǎo)通損耗加倍；4,沒有故障診斷，無法定位故障點(diǎn)；5.本錢上升；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開路失效下，隔離故障，系統(tǒng)功能正