【導讀】TI推出的功能安全柵極驅動(dòng)UCC5870-Q1，旨在幫助客戶(hù)實(shí)現電驅系統功能安全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(dòng)器本身以及開(kāi)關(guān)管進(jìn)行保護，可優(yōu)化設計成本，簡(jiǎn)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(jìn)行概述。
柵極驅動(dòng)器保護
對UCC5870-Q1本身進(jìn)行監控保護的機制主要是過(guò)溫警示（TWN），熱關(guān)斷（TSD）以及豐富的內部自檢（BIST）。
過(guò)熱保護（TWN和TSD）是在IC上電后運行過(guò)程中持續監控的。分成原邊和副邊的TWN和TSD。其中，TWN是當die結溫超過(guò)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(huì )有其他保護動(dòng)作。
TSD是當die溫度升到更高，超過(guò)TSD_SET時(shí)觸發(fā)的。其中當原邊TSD發(fā)生，IC會(huì )重新回到RESET狀態(tài)，SPI無(wú)法通訊，輸出被拉低。而副邊TSD，類(lèi)似地，輸出會(huì )直接被拉低。但此時(shí)nFLT1如果沒(méi)有被設置成屏蔽狀態(tài)，則拉低，而且仍然可以通過(guò)SPI通訊，此時(shí)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(guān)斷而導致原副邊通訊中斷，副邊熱關(guān)斷的狀態(tài)位可能沒(méi)有被置位，此外，由于副邊電路已經(jīng)關(guān)斷，可能會(huì )伴隨時(shí)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T(mén)I 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(shí)，會(huì )內部模擬故障的產(chǎn)生，來(lái)診斷相應的保護是否按要求動(dòng)作。
其中，ABIST會(huì )在IC上電時(shí)自動(dòng)完成，期間會(huì )模擬VCC1, VCC2, VEE2以及內部電源軌的過(guò)欠壓條件，此時(shí)在外部無(wú)法測試到電源電壓的波動(dòng)。如果內部比較器邏輯錯誤，沒(méi)法準確檢測到故障狀態(tài)，則會(huì )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(dòng)寫(xiě)CONTROL*寄存器相應位來(lái)執行模擬故障的過(guò)程?？梢栽贑ONFIGURATION 2模式或者 ACTIVE模式執行相應的自檢。
功率開(kāi)關(guān)管保護
UCC5870-Q1 同時(shí)集成了豐富的安全機制，對功率開(kāi)關(guān)管進(jìn)行相關(guān)診斷和保護。包括過(guò)流/短路和過(guò)溫類(lèi)的保護（OCP, SCP, DESAT, 功率管熱關(guān)斷），關(guān)斷類(lèi)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(kāi)關(guān)管健康狀態(tài)監控。
過(guò)流/短路保護
首先，過(guò)流和短路保護的關(guān)鍵，是在開(kāi)關(guān)管短路耐受時(shí)間（SCWT）內，關(guān)斷開(kāi)關(guān)管，避免短路產(chǎn)生的熱量把開(kāi)關(guān)管損壞。同時(shí)兼顧防止誤動(dòng)作，功率耗散，高精度，低成本，設計簡(jiǎn)易等要點(diǎn)。
OCP和SCP是基于檢測流過(guò)分流電阻器上的電流壓降而判斷的過(guò)流/短路保護機制。通過(guò)UCC5870-Q1集成的ADC通道(AI2, AI4, AI6）采樣，可根據選用的功率開(kāi)關(guān)管和分流電阻器的實(shí)際參數，設定不同的消隱時(shí)間，閾值電壓。為了降低損耗和寄生參數的干擾，通常這種保護機制不直接檢測著(zhù)主功率電路的電流，而是檢測集成了電流鏡的功率開(kāi)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的成本。
另一類(lèi)過(guò)流保護機制，是退飽和短路保護。它是利用IGBT 超過(guò)VCE 轉折電壓，從飽和區進(jìn)入有源區后，VCE電壓迅速增大而集電極電流不隨之增長(cháng)的特點(diǎn)，直接檢測VCE的轉折電壓，來(lái)判斷短路事件。其中，VCE轉折電壓和VGE電壓有關(guān)， IGBT的正常工作VCE電壓一般是1-3V，且轉折電壓較低，能通過(guò)簡(jiǎn)單的外圍電路實(shí)現有效的過(guò)流保護。而相同規格的SiC Mosfet，由于其內部晶體（die）的面積更小，對關(guān)斷時(shí)間的限制更苛刻，然而SiC Mosfet的轉折電壓通常卻更高，同時(shí)，由于SiC Mosfet的高速開(kāi)關(guān)特性，又需要較長(cháng)的消隱時(shí)間來(lái)避免高噪聲導致的誤觸發(fā)。因此，針對SiC Mosfet的退飽和過(guò)流保護的外圍電路設計要求更苛刻。
關(guān)斷類(lèi)保護
短路保護時(shí)需要兼顧關(guān)斷時(shí)高di/dt導致的過(guò)沖（overshoot）和關(guān)斷損耗問(wèn)題。為了實(shí)現可靠關(guān)斷，UCC5870-Q1有多種關(guān)斷方法。首先，短路保護和功率管熱關(guān)斷保護都可以靈活配置關(guān)斷模式為軟關(guān)斷（STO）或者兩級關(guān)斷（2LTOFF）。其中，STO是將驅動(dòng)的灌電流限制在設定的值，減緩關(guān)斷斜率，從而減緩VCE 過(guò)沖。而如果STO無(wú)法滿(mǎn)足限制過(guò)沖的目的，可考慮更激進(jìn)的兩級關(guān)斷。它先按照設定灌電流值，把門(mén)級電壓降至設定的平臺電壓，這個(gè)平臺電壓使開(kāi)關(guān)管處于放大區，從而通過(guò)控制柵極電壓控制住漏極電流。在平臺區保持設定的時(shí)間，然后可選擇通過(guò)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）則在正常運行過(guò)程中直接監控集電極電壓，一旦VCE超過(guò)外圍TVS管的雪崩擊穿電壓，且經(jīng)過(guò)一定的消隱時(shí)間（由VCECLP pin腳外圍的RC網(wǎng)絡(luò )參數決定），則驅動(dòng)能力由正常的灌電流降低至軟關(guān)斷電流值，并持續設定的時(shí)間，從而降低過(guò)沖電壓。
而米勒鉗位則是為了應對開(kāi)關(guān)管正常關(guān)斷時(shí)，由于高dv/dt耦合開(kāi)關(guān)管寄生電容產(chǎn)生的米勒電流，流經(jīng)驅動(dòng)電阻導致IGBT VGE產(chǎn)生異常壓降而重新誤導通的問(wèn)題。米勒鉗位為米勒電流提供了低阻抗通路，使開(kāi)關(guān)管即便在高速開(kāi)關(guān)場(chǎng)景也能可靠關(guān)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，寄生參數以及l(fā)ayout設計來(lái)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(lái)避免直通。PWM輸入引腳分為IN+和IN-，且在同一組半橋驅動(dòng)的配置中，上管驅動(dòng)的IN+連接下管驅動(dòng)IN-。當內部死區時(shí)間CFG1[TDEAD]設置成0，若IN+和IN-同時(shí)高電平，則報錯，且按配置做相應保護動(dòng)作。當內部死區時(shí)間CFG1[TDEAD]設置成大于0，則會(huì )在輸出時(shí)自動(dòng)插入相應的死區時(shí)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(shí)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(shí)間。
開(kāi)關(guān)管健康狀態(tài)檢測
最后，介紹一下UCC5870-Q1特有的開(kāi)關(guān)管健康狀態(tài)檢測。根據權威論文的實(shí)測數據[4]，由于開(kāi)關(guān)管導通閾值VGTH在考慮不同因數影響下，相對于開(kāi)關(guān)次數展現出更清晰穩定的單調性趨勢， VGTH是監控開(kāi)關(guān)管健康狀態(tài)的理想參數。而UCC5870-Q1集成的檢測VGTH方法如下。當通過(guò)CONTROL2[VGTH_MEAS]位使能VGTH- 監控，則DESAT和OUTH間的開(kāi)關(guān)管導通，給外部功率開(kāi)關(guān)管門(mén)級恒流充電。當門(mén)級電壓達到導通閾值VGTH ，主功率開(kāi)關(guān)管開(kāi)始導通，內部恒流源電流換流，全部流經(jīng)DESAT pin腳外部二極管和功率開(kāi)關(guān)管，即門(mén)級電壓被自動(dòng)鉗位在VGTH 。內部ADC從使能命令開(kāi)始經(jīng)過(guò)固定的消隱時(shí)間tdVGTHM后即可采到實(shí)時(shí)的開(kāi)關(guān)管VGTH。MCU根據采回的實(shí)時(shí)VGTH即可判斷實(shí)時(shí)開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)管以及驅動(dòng)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(guān)配置進(jìn)行了說(shuō)明，有助于工程師全面了解UCC5870-Q1的特點(diǎn)。
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
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