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  • 電源與電機驅(qū)動應(yīng)用中的MOS冗余驅(qū)動介紹
    • 發(fā)布時間:2022-05-16 20:51:04
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    電源與電機驅(qū)動應(yīng)用中的MOS冗余驅(qū)動介紹
    電源和電機驅(qū)動應(yīng)用中,功率MOS可以在不同的調(diào)制方式下,實現(xiàn)相應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換功能。單個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,從而造成整個驅(qū)動板的失效,甚至存在起火的風(fēng)險。本文提出兩個冗余驅(qū)動線路,可以有效避免MOS單點失效的負面影響。
    MOS 冗余驅(qū)動
    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,可以實現(xiàn)驅(qū)動的冗余,有效地隔離MOS失效的故障。
    在本設(shè)計中,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,從而實現(xiàn)故障隔離。
    MOS 冗余驅(qū)動
    圖2:雙管冗余驅(qū)動方案
    雙管冗余驅(qū)動方案的設(shè)計要點如下:
    可以采用兩個單通道的隔離驅(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,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。
    MOS 冗余驅(qū)動
    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)動延遲時間18ns,CMTI為100V/ns,驅(qū)動能力4A/6A,隔離等級為2500Vrms(在UL1577標準下)。
    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
    MOS 冗余驅(qū)動
    同時,UCC21225A具備隔離驅(qū)動的特性,輸入和輸出是隔離的,兩個驅(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 冗余驅(qū)動
    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(tǒng)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(tǒng)可靠關(guān)斷。
    同時,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)動方案上進一步改進,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。
    MOS 冗余驅(qū)動
    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)缺點如下:
    表3:雙管冗余和四管冗余驅(qū)動方案的優(yōu)缺點分析
    MOS 冗余驅(qū)動
    本文給出兩種MOS的冗余驅(qū)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(qū)動可以保證系統(tǒng)功能正常,阻斷故障點的擴大。
    同時四管冗余驅(qū)動,可以保證系統(tǒng)在MOS的任意單點故障下,隔離故障,系統(tǒng)功能正常。
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