TI功能安全柵極驅(qū)動診斷保護(hù)特性概述

TI推出的功能安全柵極驅(qū)動UCC5870-Q1，旨在幫助客戶實(shí)現(xiàn)電驅(qū)系統(tǒng)功能安全ASIL-D等級。其內(nèi)部集成了豐富的保護(hù)以及診斷機(jī)制，對柵極驅(qū)動器本身以及開關(guān)管進(jìn)行保護(hù)，可優(yōu)化設(shè)計(jì)成本，簡化設(shè)計(jì)復(fù)雜度。本文將對UCC5870-Q1內(nèi)置的這部分診斷保護(hù)機(jī)制進(jìn)行概述。

柵極驅(qū)動器保護(hù)

對UCC5870-Q1本身進(jìn)行監(jiān)控保護(hù)的機(jī)制主要是過溫警示（TWN），熱關(guān)斷（TSD）以及豐富的內(nèi)部自檢（BIST）。

過熱保護(hù)（TWN和TSD）是在IC上電后運(yùn)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(dāng)die結(jié)溫超過TWN_SET觸發(fā)， 原副邊可以分別使能。TWN可以設(shè)置是否在nFLT2 pin 腳報(bào)警， 相應(yīng)狀態(tài)寄存器置位，但I(xiàn)C不會有其他保護(hù)動作。

TSD是當(dāng)die溫度升到更高，超過TSD_SET時觸發(fā)的。其中當(dāng)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(shè)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(yīng)的錯誤狀態(tài)寄存器置位（由于TSD后副邊電路被關(guān)斷而導(dǎo)致原副邊通訊中斷，副邊熱關(guān)斷的狀態(tài)位可能沒有被置位，此外，由于副邊電路已經(jīng)關(guān)斷，可能會伴隨時鐘以及內(nèi)部通訊故障狀態(tài)位置位）。只有當(dāng)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(nèi)部自檢（BIST），它是一種對內(nèi)部診斷保護(hù)機(jī)制本身作診斷的機(jī)制?？梢苑殖呻娫窜壉Ｗo(hù)機(jī)制自檢（ABIST），以及各項(xiàng)保護(hù)的功能自檢（Function BIST）。運(yùn)行時，會內(nèi)部模擬故障的產(chǎn)生，來診斷相應(yīng)的保護(hù)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(nèi)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(nèi)部比較器邏輯錯誤，沒法準(zhǔn)確檢測到故障狀態(tài)，則會有相應(yīng)Analog BIST fault狀態(tài)位置位，而且IC輸出拉低。

功能自檢是針對內(nèi)部其他功能性的保護(hù)機(jī)制，比如DESAT, INP, STP, GM, SCP/OCP, PS_TSD, VCECLP等保護(hù)功能。這些自檢需要手動寫CONTROL*寄存器相應(yīng)位來執(zhí)行模擬故障的過程。可以在CONFIGURATION 2模式或者 ACTIVE模式執(zhí)行相應(yīng)的自檢。

功率開關(guān)管保護(hù)

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

過流/短路保護(hù)

首先，過流和短路保護(hù)的關(guān)鍵，是在開關(guān)管短路耐受時間（SCWT）內(nèi)，關(guān)斷開關(guān)管，避免短路產(chǎn)生的熱量把開關(guān)管損壞。同時兼顧防止誤動作，功率耗散，高精度，低成本，設(shè)計(jì)簡易等要點(diǎn)。

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(hù)機(jī)制。通過UCC5870-Q1集成的ADC通道(AI2, AI4, AI6）采樣，可根據(jù)選用的功率開關(guān)管和分流電阻器的實(shí)際參數(shù)，設(shè)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(hù)機(jī)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(guān)（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(hù)機(jī)制，是退飽和短路保護(hù)。它是利用IGBT 超過VCE 轉(zhuǎn)折電壓，從飽和區(qū)進(jìn)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(diǎn)，直接檢測VCE的轉(zhuǎn)折電壓，來判斷短路事件。其中，VCE轉(zhuǎn)折電壓和VGE電壓有關(guān)， IGBT的正常工作VCE電壓一般是1-3V，且轉(zhuǎn)折電壓較低，能通過簡單的外圍電路實(shí)現(xiàn)有效的過流保護(hù)。而相同規(guī)格的SiC Mosfet，由于其內(nèi)部晶體（die）的面積更小，對關(guān)斷時間的限制更苛刻，然而SiC Mosfet的轉(zhuǎn)折電壓通常卻更高，同時，由于SiC Mosfet的高速開關(guān)特性，又需要較長的消隱時間來避免高噪聲導(dǎo)致的誤觸發(fā)。因此，針對SiC Mosfet的退飽和過流保護(hù)的外圍電路設(shè)計(jì)要求更苛刻。

關(guān)斷類保護(hù)

短路保護(hù)時需要兼顧關(guān)斷時高di/dt導(dǎo)致的過沖（overshoot）和關(guān)斷損耗問題。為了實(shí)現(xiàn)可靠關(guān)斷，UCC5870-Q1有多種關(guān)斷方法。首先，短路保護(hù)和功率管熱關(guān)斷保護(hù)都可以靈活配置關(guān)斷模式為軟關(guān)斷（STO）或者兩級關(guān)斷（2LTOFF）。其中，STO是將驅(qū)動的灌電流限制在設(shè)定的值，減緩關(guān)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(jìn)的兩級關(guān)斷。它先按照設(shè)定灌電流值，把門級電壓降至設(shè)定的平臺電壓，這個平臺電壓使開關(guān)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(shè)定的時間，然后可選擇通過軟關(guān)斷或者普通關(guān)斷把平臺電壓放電至VEE。

有源鉗位（VCECLP）則在正常運(yùn)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(jīng)過一定的消隱時間（由VCECLP pin腳外圍的RC網(wǎng)絡(luò)參數(shù)決定），則驅(qū)動能力由正常的灌電流降低至軟關(guān)斷電流值，并持續(xù)設(shè)定的時間，從而降低過沖電壓。

而米勒鉗位則是為了應(yīng)對開關(guān)管正常關(guān)斷時，由于高dv/dt耦合開關(guān)管寄生電容產(chǎn)生的米勒電流，流經(jīng)驅(qū)動電阻導(dǎo)致IGBT VGE產(chǎn)生異常壓降而重新誤導(dǎo)通的問題。米勒鉗位為米勒電流提供了低阻抗通路，使開關(guān)管即便在高速開關(guān)場景也能可靠關(guān)斷。UCC5870-Q1提供的內(nèi)部/外部米勒鉗位配置選項(xiàng)，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(shè)計(jì)來選擇。

輸入輸出狀態(tài)檢測保護(hù) 

為防止上下管直通而導(dǎo)致嚴(yán)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(qū)動的配置中，上管驅(qū)動的IN+連接下管驅(qū)動IN-。當(dāng)內(nèi)部死區(qū)時間CFG1[TDEAD]設(shè)置成0，若IN+和IN-同時高電平，則報(bào)錯，且按配置做相應(yīng)保護(hù)動作。當(dāng)內(nèi)部死區(qū)時間CFG1[TDEAD]設(shè)置成大于0，則會在輸出時自動插入相應(yīng)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(nèi)部集成了2種PWM通道信號完整性檢測機(jī)制。其中，GM_Fault機(jī)制是直接檢測輸出實(shí)際電壓并轉(zhuǎn)換成邏輯電平，與輸入IN+邏輯電平比較。為了防止電平轉(zhuǎn)換階段誤報(bào)，可靈活配置消隱時間。

開關(guān)管健康狀態(tài)檢測

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

總結(jié)

UCC5870-Q1集成了豐富強(qiáng)大的保護(hù)功能，可靠保護(hù)開關(guān)管以及驅(qū)動芯片在復(fù)雜而惡劣的電驅(qū)環(huán)境中運(yùn)行。本文對這些保護(hù)功能的設(shè)計(jì)目的，觸發(fā)條件，保護(hù)邏輯以及相關(guān)配置進(jìn)行了說明，有助于工程師全面了解UCC5870-Q1的特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[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