【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, VEE2yijineibudianyuanguideguoqianyatiaojian，cishizaiwaibuwufaceshidaodianyuandianyadebodong。ruguoneibubijiaoqiluojicuowu
，meifazhunquejiancedaoguzhangzhuangtai
，zehuiyouxiangyingAnalog 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）caiyang，kegenjuxuanyongdegonglvkaiguanguanhefenliudianzuqideshijicanshu

，shedingbutongdexiaoyinshijian，yuzhidianya。weilejiangdisunhaohejishengcanshudeganrao

，tongchangzhezhongbaohujizhibuzhijiejiancezhuzhugonglvdianludedianliu，ershijiancejichengledianliujingdegonglvkaiguan（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STO無wu法fa滿man足zu限xian製zhi過guo衝chong的de目mu的de
，可ke考kao慮lv更geng激ji進jin的de兩liang級ji關guan斷duan。它ta先xian按an照zhao設she定ding灌guan電dian流liu值zhi，把ba門men級ji電dian壓ya降jiang至zhi設she定ding的de平ping台tai電dian壓ya，這zhe個ge平ping台tai電dian壓ya使shi開kai關guan管guan處chu於yu放fang大da區qu
，從cong而er通tong過guo控kong製zhi柵zha極ji電dian壓ya控kong製zhi住zhu漏lou極ji電dian流liu。在zai平ping台tai區qu保bao持chi設she定ding的de時shi間jian
，然ran後hou可ke選xuan擇ze通tong過guo軟ruan關guan斷duan或huo者zhe普pu通tong關guan斷duan把ba平ping台tai電dian壓ya放fang電dian至zhiVEE。

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jieUCC5870-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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