作者:Jimmy Zhou
在電源和電機(jī)驅(qū)動應(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MOS的通斷,達(dá)到相應(yīng)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(gè)驅(qū)動板的失效,甚至存在起火的風(fēng)險(xiǎn)。本文提出兩個(gè)冗余驅(qū)動線路,可以有效避免MOS單點(diǎn)失效的負(fù)面影響。
圖1:典型的有刷電動工具驅(qū)動系統(tǒng)
如圖2所示,通過冗余的驅(qū)動和功率MOS,可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動的冗余,有效地隔離MOS失效的故障。在本設(shè)計(jì)中,驅(qū)動線路是完全隔離的,即驅(qū)動的原邊和副邊是隔離,驅(qū)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(tǒng)的高壓并不能傳導(dǎo)到低壓,從而實(shí)現(xiàn)故障隔離。
圖2:雙管冗余驅(qū)動方案
雙管冗余驅(qū)動方案的設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下:
- 可以采用兩個(gè)單通道的隔離驅(qū)動IC,如果采用隔離半橋驅(qū)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(qū)動供電軌。當(dāng)下管導(dǎo)通時(shí),驅(qū)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(qū)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(jīng)過RC濾波網(wǎng)絡(luò),避免輸入干擾信號。
圖3:典型的有刷電動工具驅(qū)動系統(tǒng)
UCC21225A 是隔離的雙通道驅(qū)動芯片,原邊供電電壓3V-18V,副邊供電電壓6.5V – 25V,驅(qū)動延遲時(shí)間18ns,CMTI為100V/ns,驅(qū)動能力4A/6A,隔離等級為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,兩通道的高邊驅(qū)動和半橋驅(qū)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(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)動的特性,輸入和輸出是隔離的,兩個(gè)驅(qū)動通道之間也是隔離的。TI技術(shù)說明文檔“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)動模塊1和隔離驅(qū)動模塊2中的任一一個(gè)模塊發(fā)生故障(短路或者開路),不會擊穿絕緣基,即故障不會傳導(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;高壓不會傳導(dǎo)到驅(qū)動,IC功能正常。 |
任意MOS的GD短路 |
系統(tǒng)功能正常,高壓會損壞UCC21225A的MOS對應(yīng)的驅(qū)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(dǎo)到驅(qū)動供電軌,對系統(tǒng)其他部分無影響。 |
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,高壓會損壞UCC21225A的失效MOS對應(yīng)的驅(qū)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(dǎo)到驅(qū)動供電軌,對系統(tǒng)其他部分無影響;如果失效發(fā)生在下橋臂MOS,UCC21225不會損壞。 |
任意MOS的GDS短路 |
系統(tǒng)功能正常,高壓會損壞UCC21225A的MOS對應(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傳導(dǎo)到驅(qū)動供電軌,對系統(tǒng)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(qū)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(qū)動,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)動方案中的隔離半橋驅(qū)動,采用支持overlap的非隔離半橋驅(qū)動,對于單個(gè)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(qū)動IC損壞,系統(tǒng)功能損壞。
雙管冗余驅(qū)動方案在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)動方案上進(jìn)一步改進(jìn),將MOS和驅(qū)動線路加倍,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)動線路
最后,雖然本文給出的示例都是低側(cè)MOS驅(qū)動,在提供隔離驅(qū)動電壓軌下,該方案也可以拓展到高側(cè)MOS驅(qū)動。雙管冗余和四管冗余驅(qū)動線路的優(yōu)缺點(diǎn)如下:
表3:雙管冗余和四管冗余驅(qū)動方案的優(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IC的兩個(gè)通道的信號傳輸延遲差異,MOS開通/關(guān)端特性不一致,造成可能性的震蕩,PWM頻率上限會減低,開關(guān)損耗也會增加; 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.成本上升;
|
四管冗余驅(qū)動方案 |
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)功能正常。 |
本文給出兩種MOS的冗余驅(qū)動線路,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,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。
其他信息
- UCC21225A應(yīng)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
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