TI功能安全柵極驅動診斷保護特性概述

TI推出的功能安全柵極驅動UCC5870-Q1，旨在幫助客戶實現(xiàn)電驅系統(tǒng)功能安全ASIL-D等級。其內部集成了豐富的保護以及診斷機制，對柵極驅動器本身以及開關管進行保護，可優(yōu)化設計成本，簡化設計復雜度。本文將對UCC5870-Q1內置的這部分診斷保護機制進行概述。

柵極驅動器保護

對UCC5870-Q1本身進行監(jiān)控保護的機制主要是過溫警示（TWN），熱關斷（TSD）以及豐富的內部自檢（BIST）。

過熱保護（TWN和TSD）是在IC上電后運行過程中持續(xù)監(jiān)控的。分成原邊和副邊的TWN和TSD。其中，TWN是當die結溫超過TWN_SET觸發(fā)， 原副邊可以分別使能。TWN可以設置是否在nFLT2 pin 腳報警， 相應狀態(tài)寄存器置位，但IC不會有其他保護動作。

TSD是當die溫度升到更高，超過TSD_SET時觸發(fā)的。其中當原邊TSD發(fā)生，IC會重新回到RESET狀態(tài)，SPI無法通訊，輸出被拉低。而副邊TSD，類似地，輸出會直接被拉低。但此時nFLT1如果沒有被設置成屏蔽狀態(tài)，則拉低，而且仍然可以通過SPI通訊，此時可能讀取到相應的錯誤狀態(tài)寄存器置位（由于TSD后副邊電路被關斷而導致原副邊通訊中斷，副邊熱關斷的狀態(tài)位可能沒有被置位，此外，由于副邊電路已經關斷，可能會伴隨時鐘以及內部通訊故障狀態(tài)位置位）。只有當IC冷卻到閾值，如果是副邊TSD，則還需要重新上下電VCC2，再重新完成上電初始化流程，IC才能重新輸出。

UCC5870-Q1作為TI Functional Safety-Compliant的器件，集成了豐富的內部自檢（BIST），它是一種對內部診斷保護機制本身作診斷的機制?？梢苑殖呻娫窜壉Ｗo機制自檢（ABIST），以及各項保護的功能自檢（Function BIST）。運行時，會內部模擬故障的產生，來診斷相應的保護是否按要求動作。

其中，ABIST會在IC上電時自動完成，期間會模擬VCC1, VCC2, VEE2以及內部電源軌的過欠壓條件，此時在外部無法測試到電源電壓的波動。如果內部比較器邏輯錯誤，沒法準確檢測到故障狀態(tài)，則會有相應Analog BIST fault狀態(tài)位置位，而且IC輸出拉低。

功能自檢是針對內部其他功能性的保護機制，比如DESAT, INP, STP, GM, SCP/OCP, PS_TSD, VCECLP等保護功能。這些自檢需要手動寫CONTROL*寄存器相應位來執(zhí)行模擬故障的過程?？梢栽贑ONFIGURATION 2模式或者 ACTIVE模式執(zhí)行相應的自檢。

功率開關管保護

UCC5870-Q1 同時集成了豐富的安全機制，對功率開關管進行相關診斷和保護。包括過流/短路和過溫類的保護（OCP, SCP, DESAT, 功率管熱關斷），關斷類的保護（2LTOFF, STO, VCE CLAMP, internal and external MILLER CLAMP）, 輸入輸出狀態(tài)檢測和保護（Gate monitor， STP），另外，還有TI 特有的開關管健康狀態(tài)監(jiān)控。

過流/短路保護

首先，過流和短路保護的關鍵，是在開關管短路耐受時間（SCWT）內，關斷開關管，避免短路產生的熱量把開關管損壞。同時兼顧防止誤動作，功率耗散，高精度，低成本，設計簡易等要點。

OCP和SCP是基于檢測流過分流電阻器上的電流壓降而判斷的過流/短路保護機制。通過UCC5870-Q1集成的ADC通道(AI2, AI4, AI6）采樣，可根據選用的功率開關管和分流電阻器的實際參數(shù)，設定不同的消隱時間，閾值電壓。為了降低損耗和寄生參數(shù)的干擾，通常這種保護機制不直接檢測著主功率電路的電流，而是檢測集成了電流鏡的功率開關（senseFET）管按比例縮小后的電流。而集成了senseFET的功率模組則可能提高了系統(tǒng)的成本。

另一類過流保護機制，是退飽和短路保護。它是利用IGBT 超過VCE 轉折電壓，從飽和區(qū)進入有源區(qū)后，VCE電壓迅速增大而集電極電流不隨之增長的特點，直接檢測VCE的轉折電壓，來判斷短路事件。其中，VCE轉折電壓和VGE電壓有關， IGBT的正常工作VCE電壓一般是1-3V，且轉折電壓較低，能通過簡單的外圍電路實現(xiàn)有效的過流保護。而相同規(guī)格的SiC Mosfet，由于其內部晶體（die）的面積更小，對關斷時間的限制更苛刻，然而SiC Mosfet的轉折電壓通常卻更高，同時，由于SiC Mosfet的高速開關特性，又需要較長的消隱時間來避免高噪聲導致的誤觸發(fā)。因此，針對SiC Mosfet的退飽和過流保護的外圍電路設計要求更苛刻。

關斷類保護

短路保護時需要兼顧關斷時高di/dt導致的過沖（overshoot）和關斷損耗問題。為了實現(xiàn)可靠關斷，UCC5870-Q1有多種關斷方法。首先，短路保護和功率管熱關斷保護都可以靈活配置關斷模式為軟關斷（STO）或者兩級關斷（2LTOFF）。其中，STO是將驅動的灌電流限制在設定的值，減緩關斷斜率，從而減緩VCE 過沖。而如果STO無法滿足限制過沖的目的，可考慮更激進的兩級關斷。它先按照設定灌電流值，把門級電壓降至設定的平臺電壓，這個平臺電壓使開關管處于放大區(qū)，從而通過控制柵極電壓控制住漏極電流。在平臺區(qū)保持設定的時間，然后可選擇通過軟關斷或者普通關斷把平臺電壓放電至VEE。

有源鉗位（VCECLP）則在正常運行過程中直接監(jiān)控集電極電壓，一旦VCE超過外圍TVS管的雪崩擊穿電壓，且經過一定的消隱時間（由VCECLP pin腳外圍的RC網絡參數(shù)決定），則驅動能力由正常的灌電流降低至軟關斷電流值，并持續(xù)設定的時間，從而降低過沖電壓。

而米勒鉗位則是為了應對開關管正常關斷時，由于高dv/dt耦合開關管寄生電容產生的米勒電流，流經驅動電阻導致IGBT VGE產生異常壓降而重新誤導通的問題。米勒鉗位為米勒電流提供了低阻抗通路，使開關管即便在高速開關場景也能可靠關斷。UCC5870-Q1提供的內部/外部米勒鉗位配置選項，可靈活地針對不同的下拉能力需求，寄生參數(shù)以及l(fā)ayout設計來選擇。

輸入輸出狀態(tài)檢測保護 

為防止上下管直通而導致嚴重的燒毀，UCC5870-Q1集成STP來避免直通。PWM輸入引腳分為IN+和IN-，且在同一組半橋驅動的配置中，上管驅動的IN+連接下管驅動IN-。當內部死區(qū)時間CFG1[TDEAD]設置成0，若IN+和IN-同時高電平，則報錯，且按配置做相應保護動作。當內部死區(qū)時間CFG1[TDEAD]設置成大于0，則會在輸出時自動插入相應的死區(qū)時間，避免直通。

為保證輸入輸出電平的一致性，UCC5870-Q1內部集成了2種PWM通道信號完整性檢測機制。其中，GM_Fault機制是直接檢測輸出實際電壓并轉換成邏輯電平，與輸入IN+邏輯電平比較。為了防止電平轉換階段誤報，可靈活配置消隱時間。

開關管健康狀態(tài)檢測

最后，介紹一下UCC5870-Q1特有的開關管健康狀態(tài)檢測。根據權威論文的實測數(shù)據[4]，由于開關管導通閾值VGTH在考慮不同因數(shù)影響下，相對于開關次數(shù)展現(xiàn)出更清晰穩(wěn)定的單調性趨勢， VGTH是監(jiān)控開關管健康狀態(tài)的理想參數(shù)。而UCC5870-Q1集成的檢測VGTH方法如下。當通過CONTROL2[VGTH_MEAS]位使能VGTH- 監(jiān)控，則DESAT和OUTH間的開關管導通，給外部功率開關管門級恒流充電。當門級電壓達到導通閾值VGTH ，主功率開關管開始導通，內部恒流源電流換流，全部流經DESAT pin腳外部二極管和功率開關管，即門級電壓被自動鉗位在VGTH 。內部ADC從使能命令開始經過固定的消隱時間tdVGTHM后即可采到實時的開關管VGTH。MCU根據采回的實時VGTH即可判斷實時開關管的健康狀態(tài)。

總結

UCC5870-Q1集成了豐富強大的保護功能，可靠保護開關管以及驅動芯片在復雜而惡劣的電驅環(huán)境中運行。本文對這些保護功能的設計目的，觸發(fā)條件，保護邏輯以及相關配置進行了說明，有助于工程師全面了解UCC5870-Q1的特點。

參考文獻

[1] UCC5870-Q1 Datasheet

[2] UCC5870-Q1 Feature Configuration Guide

[3] Understanding the Short Circuit Protection for Silicon Carbide MOSFETs

[4] Analysis of Vth Variations in IGBTs Under Thermal Stress for Improved Condition Monitoring in Automotive Power Conversion Systems