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作者：Jimmy Zhou
在電源和電機驅(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(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。
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。
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
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失效模式 | 影響 |
任意MOS的DS短路 | 系統(tǒng)功能正常；高壓不會傳導(dǎo)到驅(qū)動，IC功能正常。 |
任意MOS的GD短路 | 系統(tǒng)功能正常，高壓會損壞UCC21225A的MOS對應(yīng)的驅(qū)動模塊，但是UCC21225A的其他部分工作正常；由于自舉二極管的存在，功率回路的高壓不會傳導(dǎo)到驅(qū)動供電軌，對系統(tǒng)其他部分無影響。 |
任意MOS的GS短路 | 系統(tǒng)功能正常；如果失效發(fā)生在上橋臂MOS，高壓會損壞UCC21225A的失效MOS對應(yīng)的驅(qū)動模塊，UCC21225A的其他部分工作正常，由于自舉二極管的作用，功率回路的高壓不會傳導(dǎo)到驅(qū)動供電軌，對系統(tǒng)其他部分無影響；如果失效發(fā)生在下橋臂MOS，UCC21225不會損壞。 |
任意MOS的GDS短路 | 系統(tǒng)功能正常，高壓會損壞UCC21225A的MOS對應(yīng)的模塊，但是UCC21225A的其他部分工作正常；由于自舉二極管的存在，功率回路的高壓不會傳導(dǎo)到驅(qū)動供電軌，對系統(tǒng)其他部分無影響。 |
任一MOS的GS開路 | 功率回路安全斷開，功能性失效；高壓不會損壞驅(qū)動，IC功能正常。 |
任一MOS的DS開路 | 功率回路安全斷開，功能性失效；高壓不會損壞驅(qū)動，IC功能正常。 |
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。
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失效模式 | 優(yōu)點 | 缺點 |
雙管冗余驅(qū)動方案 | 1.在單個MOS的DS、GD、GS、GDS短路等失效下，隔離故障點，系統(tǒng)功能正常； 2.在單個MOS的DS、GS開路等失效下，隔離故障點，系統(tǒng)可靠關(guān)斷。 | 1.考慮到上橋臂的驅(qū)動供電，對最小同占空比和上電時序由具體要求，控制邏輯復(fù)雜。 2.由于MOS的本身特性不對稱，驅(qū)動IC的兩個通道的信號傳輸延遲差異，MOS開通/關(guān)端特性不一致，造成可能性的震蕩，PWM頻率上限會減低，開關(guān)損耗也會增加； 3對于雙管冗余方案，由于MOS數(shù)量加倍，導(dǎo)通損耗加倍； 4.沒有故障診斷，無法定位故障點； 5.成本上升； |
四管冗余驅(qū)動方案 | 1.在單個MOS的DS、GD、GS、GDS短路，以及單個MOS的DS、GS開路失效下，隔離故障，系統(tǒng)功能正常。 |
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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