电源和电机驱动应用中两种MOS冗余驱动方案分析

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作者：Jimmy Zhou

 

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。

图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。

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。

图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。

表1：UCC21225A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。

表2：MOS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。

图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：

表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。

其他信息

• UCC21225A应用手册：https://www.ti.com/lit/ds/symlink/ucc21225a.pdf
• 容性隔离期间失效模式分析：https://www.ti.com/lit/wp/slyy081a/slyy081a.pdf