【導讀】在電源和電機驅動(dòng)應用中，功率MOS可以在不同的調制方式下，實(shí)現相應的能量轉換功能。單個(gè)MOS驅動(dòng)的結構如圖1所示，通過(guò)MCU的 PWM模塊調整占空比，控制功率MOS的通斷，達到相應的功能。另外，在一些過(guò)壓，過(guò)流和過(guò)載工況下，功率MOS很容易損壞，從而造成整個(gè)驅動(dòng)板的失效，甚至存在起火的風(fēng)險。本文提出兩個(gè)冗余驅動(dòng)線(xiàn)路，可以有效避免MOS單點(diǎn)失效的負面影響。
圖1：典型的有刷電動(dòng)工具驅動(dòng)系統
如圖2所示，通過(guò)冗余的驅動(dòng)和功率MOS，可以實(shí)現驅動(dòng)的冗余，有效地隔離MOS失效的故障。在本設計中，驅動(dòng)線(xiàn)路是完全隔離的，即驅動(dòng)的原邊和副邊是隔離，驅動(dòng)通道1和通道2是隔離。即使MOS失效，比如任意MOS短路，系統的高壓并不能傳導到低壓，從而實(shí)現故障隔離。
圖2：雙管冗余驅動(dòng)方案
雙管冗余驅動(dòng)方案的設計要點(diǎn)如下：
● 可以采用兩個(gè)單通道的隔離驅動(dòng)IC，如果采用隔離半橋驅動(dòng)芯片，芯片需要支持overlap模式。
● 輸入通道的供電通過(guò)電阻和二極管連接到驅動(dòng)供電軌。當下管導通時(shí)，驅動(dòng)電壓軌通過(guò)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動(dòng)模塊供電。
● 自舉二極管擊穿電壓大于母線(xiàn)電壓。
● 隔離IC的隔離工作電壓大于母線(xiàn)電壓。
● PWM輸入信號，經(jīng)過(guò)RC濾波網(wǎng)絡(luò )，避免輸入干擾信號。
圖3：典型的有刷電動(dòng)工具驅動(dòng)系統
UCC21225A 是隔離的雙通道驅動(dòng)芯片，原邊供電電壓3V-18V，副邊供電電壓6.5V – 25V，驅動(dòng)延遲時(shí)間18ns，CMTI為100V/ns，驅動(dòng)能力4A/6A，隔離等級為2500Vrms（在UL1577標準下）。UCC21225A根據外圍線(xiàn)路，支持兩通道的低邊驅動(dòng)，兩通道的高邊驅動(dòng)和半橋驅動(dòng)。在本文中，通過(guò)配置DT引腳，UCC21225工作在overlap模式。
表1：UCC21225A的參數表
同時(shí)，UCC21225A具備隔離驅動(dòng)的特性，輸入和輸出是隔離的，兩個(gè)驅動(dòng)通道之間也是隔離的。TI技術(shù)說(shuō)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、隔離驅動(dòng)模塊1和隔離驅動(dòng)模塊2中的任一一個(gè)模塊發(fā)生故障（短路或者開(kāi)路），不會(huì )擊穿絕緣基，即故障不會(huì )傳導到其他模塊。根據以上分析，MOS的不同形式的單點(diǎn)失效，對系統的影響如表格2所示。
表2：MOS不同失效下系統的影響
通過(guò)以上分析得知，在單個(gè)MOS的DS、GD、GS、GDS短路等失效條件下，可以保證系統功能正常，阻斷故障點(diǎn)的擴大。但是在單個(gè)MOS的GS和DS開(kāi)路失效條件下，功率回路斷開(kāi)，系統可靠關(guān)斷。同時(shí)，如果雙管冗余驅動(dòng)方案中的隔離半橋驅動(dòng)，采用支持overlap的非隔離半橋驅動(dòng)，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(huì )造成驅動(dòng)IC損壞，系統功能損壞。
雙管冗余驅動(dòng)方案在MOS的GS和DS開(kāi)路失效下，系統的功能異常，在雙管冗余驅動(dòng)方案上進(jìn)一步改進(jìn)，將MOS和驅動(dòng)線(xiàn)路加倍，雙路MOS并聯(lián)在一起，可以保證在MOS的GS和DS開(kāi)路失效條件下，系統功能正常。
圖4：四管冗余驅動(dòng)線(xiàn)路
最后，雖然本文給出的示例都是低側MOS驅動(dòng)，在提供隔離驅動(dòng)電壓軌下，該方案也可以拓展到高側MOS驅動(dòng)。雙管冗余和四管冗余驅動(dòng)線(xiàn)路的優(yōu)缺點(diǎn)如下：
表3：雙管冗余和四管冗余驅動(dòng)方案的優(yōu)缺點(diǎn)分析
本文給出兩種MOS的冗余驅動(dòng)線(xiàn)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，雙管冗余驅動(dòng)可以保證系統功能正常，阻斷故障點(diǎn)的擴大。同時(shí)四管冗余驅動(dòng)，可以保證系統在MOS的任意單點(diǎn)故障下，隔離故障，系統功能正常。
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