【導讀】在電源和電機驅(qū)動應用中，功率MOS可以在不同的調(diào)制方式下，實現(xiàn)相應的能量轉(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。
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)的高壓并不能傳導到低壓，從而實現(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。當下管導通時，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，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
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
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。
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
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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