电源和电机驱动应用中两种mos冗余驱动方案分析（电源和电机驱动应用中两种mos冗余驱动方案分析报告）

Post: UCC21225A 中讨论的其他部分作者：Jimmy Zhou

在电源和电机驱动应用中，功率MOS在不同的调制方式下可以实现相应的能量转换功能。单MOS驱动器的结构如图1所示，通过MCU的PWM模块调整占空比，控制功率MOS的导通和关断，实现相应的功能。另外，在某些过压、过流、过载情况下，功率MOS很容易损坏，导致整个驱动板失效，甚至存在火灾风险。本文提出两条冗余驱动线，可以有效避免MOS单点故障带来的负面影响。

图1：典型的有刷电动工具驱动系统

如图2所示，通过冗余驱动和功率MOS，可以实现驱动冗余，并有效隔离MOS失效故障。本设计中，驱动线完全隔离，即驱动原边和副边隔离，驱动通道1和通道2隔离。即使MOS出现故障，例如任何MOS短路，系统的高电压也无法传导到低电压，从而实现故障隔离。

图2：双管冗余驱动方案

双管冗余驱动方案的设计要点如下：

可以使用两个单通道隔离驱动器IC。如果使用隔离半桥驱动芯片，则芯片需要支持重叠模式。输入通道电源通过电阻器和二极管连接到驱动器电源轨。当下部电源开启时，驱动电压轨通过自举二极管对自举电容充电，自举电容上的电压可以为高侧驱动模块供电。自举二极管的击穿电压大于总线电压。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。

图3：典型的有刷电动工具驱动系统

UCC21225A是一款隔离双通道驱动芯片，初级电源电压为3V-18V，次级电源电压为6.5V-25V，驱动延迟时间为18ns，CMTI为100V/ns，驱动能力为4A/6A ，以及2500Vrms 的隔离级别（按照UL1577 标准）。 UCC21225A支持两通道低侧驱动、两通道高侧驱动以及基于外围电路的半桥驱动。本文中，UCC21225通过配置DT引脚工作在重叠模式。

表1：UCC21225A参数表

设备

输出电流

隔离等级

输入VCC

输出电压

CMTI

包裹

UCC21225A

4A/6A

2500Vrms

3V-18V

6.5V25V

100V/纳秒

VLGA(5mm5mm)

同时UCC21225A具有隔离驱动的特点。输入和输出隔离，两个驱动通道也隔离。 TI 的技术文档“了解隔离器的故障模式”详细介绍了隔离器件的故障模式。从该文献中可以看出，在故障模式2下，如果输入模块、隔离驱动模块1和隔离驱动模块2中的任何一个模块发生故障（短路或开路），绝缘底座都不会被击穿，即，故障不会发生。到其他模块。根据上述分析，不同形式的MOS单点故障对系统的影响如表2所示。

表2：不同MOS失效情况下对系统的影响

MOS管失效模式

影响

任何MOS DS短路

系统运行正常；高电压不会传输到驱动器，IC 正常工作。

任意MOS的GD短路

系统运行正常。高电压会损坏UCC21225A的MOS对应的驱动模块，但UCC21225A的其他部分工作正常；由于自举二极管的存在，电源环路的高电压不会传导到驱动电源轨，不会对系统的其他部分产生影响。

任一MOS的GS短路

系统运行正常；如果故障发生在上臂MOS，高电压会损坏UCC21225A故障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，电源环路的高电压不会传导至驱动电源轨。对系统其他部分没有影响；如果故障发生在下臂MOS，UCC21225不会损坏。

GDS任意MOS短路

系统功能正常，高电压会损坏UCC21225A的MOS对应模块，但UCC21225A的其他部分工作正常；由于自举二极管的存在，电源环路的高电压不会传导到驱动电源轨，不会对系统的其他部分产生影响。

任一MOS的GS开路

电源回路安全断开且功能失效；高电压不会损坏驱动器和IC正常工作。

任一MOS的DS开路

电源回路安全断开且功能失效；高电压不会损坏驱动器和IC正常工作。

通过以上分析可知，在单个MOS的DS、GD、GS、GDS短路等故障情况下，可以保证系统的正常功能，并阻断故障点的扩大。但在单个MOS的GS和DS开路失效情况下，电源回路断开，系统可靠关断。同时，双管冗余驱动方案中的隔离半桥驱动器如果采用支持重叠的非隔离半桥驱动器，对于单个MOS的DS短路故障可以实现良好的隔离，并且对于GD、GS 和GDS 的MOS 短路故障会导致驱动IC 损坏和系统功能损坏。

在双管冗余驱动方案中，当MOS开路的GS和DS出现故障时，系统功能异常。双管冗余驱动方案通过加倍MOS和驱动线进一步完善。双通道MOS并联，保证MOS在GS、DS开路失效情况下，系统功能正常。

图4：四管冗余驱动电路

最后，虽然本文给出的示例都是低侧MOS 驱动，但如果提供隔离驱动电压轨，该解决方案也可以扩展到高侧MOS 驱动。双管冗余和四管冗余驱动线的优缺点如下：

表3：双管冗余和四管冗余驱动方案优缺点分析

MOS管失效模式

优势

缺点

双管冗余驱动方案

1、单个MOS DS、GD、GS、GDS短路故障等情况下，故障点被隔离，系统功能正常；

2、单个MOS出现DS、GS开路等故障时，隔离故障点，可靠关断系统。

1、考虑到上臂的驱动电源，对最小占空比和上电时序有具体要求，控制逻辑复杂。

2、由于MOS的不对称特性，驱动IC两通道信号传输延迟差异，以及MOS开通/关断特性不一致，导致可能出现振荡，PWM频率上限会降低，开关损耗也会增加；

3 对于双管冗余方案，由于MOS数量增加了一倍，导通损耗也增加了一倍；

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、当单个MOS的DS、GD、GS、GDS短路，单个MOS的DS、GS开路时，故障被隔离，系统功能正常。

本文给出了两种MOS冗余驱动线，可以有效避免MOS单点故障的影响。在MOS的DS、GD、GS、GDS短路等情况下，双管冗余驱动可以保证系统功能和电阻正常。故障点扩大。同时，四管冗余驱动可以保证系统在MOS任意单点故障下都能隔离故障，系统功能正常。

其他信息

UCC21225A 应用手册：https://www.ti.com/lit/ds/symlink/ucc21225a.pdf 电容隔离期间的故障模式分析：https://www.ti.com/lit/wp/slyy081a/slyy081a.pdf