【導讀】TI推出的功能安全柵極驅動UCC5870-Q1，旨在幫助客戶實現電驅係統功能安全ASIL-D等級。其內部集成了豐富的保護以及診斷機製
，對柵極驅動器本身以及開關管進行保護
，可優化設計成本
，簡化設計複雜度。本文將對UCC5870-Q1內置的這部分診斷保護機製進行概述。

柵極驅動器保護

對UCC5870-Q1本身進行監控保護的機製主要是過溫警示（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上電後運行過程中持續監控的。分成原邊和副邊的TWN和TSD。其中，TWN是當die結溫超過TWN_SET觸發
， 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時觸發的。其中當原邊TSD發生
，IC會重新回到RESET狀態，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
，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寄存器置位（由於TSD後hou副fu邊bian電dian路lu被bei關guan斷duan而er導dao致zhi原yuan副fu邊bian通tong訊xun中zhong斷duan
，副fu邊bian熱re關guan斷duan的de狀zhuang態tai位wei可ke能neng沒mei有you被bei置zhi位wei，此ci外wai，由you於yu副fu邊bian電dian路lu已yi經jing關guan斷duan
，可ke能neng會hui伴ban隨sui時shi鍾zhong以yi及ji內nei部bu通tong訊xun故gu障zhang狀zhuang態tai位wei置zhi位wei）。隻有當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製本身作診斷的機製。可以分成電源軌保護機製自檢（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(yi)及(ji)內(nei)部(bu)電(dian)源(yuan)軌(gui)的(de)過(guo)欠(qian)壓(ya)條(tiao)件(jian)
，此(ci)時(shi)在(zai)外(wai)部(bu)無(wu)法(fa)測(ce)試(shi)到(dao)電(dian)源(yuan)電(dian)壓(ya)的(de)波(bo)動(dong)。如(ru)果(guo)內(nei)部(bu)比(bi)較(jiao)器(qi)邏(luo)輯(ji)錯(cuo)誤(wu)，沒(mei)法(fa)準(zhun)確(que)檢(jian)測(ce)到(dao)故(gu)障(zhang)狀(zhuang)態(tai)，則(ze)會(hui)有(you)相(xiang)應(ying)Analog BIST fault狀態位置位

，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製
，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*寄存器相應位來執行模擬故障的過程。可以在CONFIGURATION 2模式或者 ACTIVE模式執行相應的自檢。

功率開關管保護

UCC5870-Q1 同時集成了豐富的安全機製
，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）, 輸入輸出狀態檢測和保護（Gate monitor
， STP），另外
，還有TI 特有的開關管健康狀態監控。

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是基於檢測流過分流電阻器上的電流壓降而判斷的過流/短路保護機製。通過UCC5870-Q1集成的ADC通道(AI2, AI4, AI6）采cai樣yang
，可ke根gen據ju選xuan用yong的de功gong率lv開kai關guan管guan和he分fen流liu電dian阻zu器qi的de實shi際ji參can數shu，設she定ding不bu同tong的de消xiao隱yin時shi間jian，閾yu值zhi電dian壓ya。為wei了le降jiang低di損sun耗hao和he寄ji生sheng參can數shu的de幹gan擾rao，通tong常chang這zhe種zhong保bao護hu機ji製zhi不bu直zhi接jie檢jian測ce著zhu主zhu功gong率lv電dian路lu的de電dian流liu
，而er是shi檢jian測ce集ji成cheng了le電dian流liu鏡jing的de功gong率lv開kai關guan（senseFET）管按比例縮小後的電流。而集成了senseFET的功率模組則可能提高了係統的成本。

另一類過流保護機製
，是退飽和短路保護。它是利用IGBT 超過VCE 轉折電壓
，從飽和區進入有源區後
，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有效的過流保護。而相同規格的SiC Mosfet
，由於其內部晶體（die）的麵積更小，對關斷時間的限製更苛刻，然而SiC Mosfet的轉折電壓通常卻更高，同時
，由於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。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導致的過衝（overshoot）和關斷損耗問題。為了實現可靠關斷
，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製在設定的值
，減緩關斷斜率，從而減緩VCE 過衝。而如果STOwufamanzuxianzhiguochongdemude，kekaolvgengjijindeliangjiguanduan。taxiananzhaoshedingguandianliuzhi，bamenjidianyajiangzhishedingdepingtaidianya
，zhegepingtaidianyashikaiguanguanchuyufangdaqu，congertongguokongzhizhajidianyakongzhizhuloujidianliu。zaipingtaiqubaochishedingdeshijian，ranhoukexuanzetongguoruanguanduanhuozheputongguanduanbapingtaidianyafangdianzhiVEE。

有源鉗位（VCECLP）則在正常運行過程中直接監控集電極電壓
，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網絡參數決定）
，則驅動能力由正常的灌電流降低至軟關斷電流值，並持續設定的時間，從而降低過衝電壓。

而米勒鉗位則是為了應對開關管正常關斷時，由於高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

，寄生參數以及layout設計來選擇。

輸入輸出狀態檢測保護 

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。當內部死區時間CFG1[TDEAD]設置成大於0，則會在輸出時自動插入相應的死區時間，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製。其中，GM_Fault機製是直接檢測輸出實際電壓並轉換成邏輯電平，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。

開關管健康狀態檢測

最後，介紹一下UCC5870-Q1特有的開關管健康狀態檢測。根據權威論文的實測數據[4]，由於開關管導通閾值VGTH在考慮不同因數影響下，相對於開關次數展現出更清晰穩定的單調性趨勢
， VGTH是監控開關管健康狀態的理想參數。而UCC5870-Q1集成的檢測VGTH方法如下。當通過CONTROL2[VGTH_MEAS]位使能VGTH­ 監控，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後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。

總結

UCC5870-Q1集(ji)成(cheng)了(le)豐(feng)富(fu)強(qiang)大(da)的(de)保(bao)護(hu)功(gong)能(neng)

，可(ke)靠(kao)保(bao)護(hu)開(kai)關(guan)管(guan)以(yi)及(ji)驅(qu)動(dong)芯(xin)片(pian)在(zai)複(fu)雜(za)而(er)惡(e)劣(lie)的(de)電(dian)驅(qu)環(huan)境(jing)中(zhong)運(yun)行(xing)。本(ben)文(wen)對(dui)這(zhe)些(xie)保(bao)護(hu)功(gong)能(neng)的(de)設(she)計(ji)目(mu)的(de)
，觸(chu)發(fa)條(tiao)件(jian)，保(bao)護(hu)邏(luo)輯(ji)以(yi)及(ji)相(xiang)關(guan)配(pei)置(zhi)進(jin)行(xing)了(le)說(shuo)明(ming)，有(you)助(zhu)於(yu)工(gong)程(cheng)師(shi)全(quan)麵(mian)了(le)解(jie)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

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