DESAT保護外圍器件的設計

本應用筆記主要闡述了DESAT保護電路工作原理以及在設計DESAT外圍電路時需要考慮的一些因素。

DESAT 保護的工作原理

IGBT、SiC等功率器件被廣泛應用于工業、汽車和能源行業，如變頻器、光伏逆變器、車載充電器、牽引逆變器等。為了讓系統更加可靠，功率器件需要有快速可靠的短路保護機制，而DESAT退飽和保護是一種常用的短路保護措施。

圖 1. 功率器件正常工作時DESAT電流的流向

圖 1 . 在功率器正常開通工作的時候，驅動芯片內部的電流源ICHG從DESAT腳流出，流過RDST， DDST和功率管。此時由于外部功率管CE兩端的電壓(VCE)比較低，所以DESAT管腳的電壓（VDESAT）會被VCE電壓鉗位住，不會被充到DESAT閾值電壓（VDSTH）。

當功率管如IGBT發生短路的時候，由于IGBT退出飽和區，VCE電壓會迅速的抬升，反向二極管DDST被阻斷，ICHG給電容CBLANK充電。當CBLANK兩端的電壓VDESAT超過VDSTH的時候，驅動芯片就檢測到有短路發生而將驅動輸出拉低從而關斷外部的功率器件。圖 2 顯示了在短路發生時，DESAT電流的流向。

圖 2. 功率器件短路時DESAT電流的流向

DESAT保護外圍器件的設計

要用好DESAT保護功能，外圍器件的設計非常重要，主要涉及到消隱時間和DESAT電壓閾值。本文以SiLM5992SH為例來說明具體的設計考量和計算。

圖 3. SiLM5992SH的DESAT保護時序圖

01

消隱時間（Blank Time）

根據圖 2中的電路所示，消隱時間tBLANK可以由以下公式（1）得到：

其中tBLANK: 消隱時間；CBLANK: 接在DESAT和地之間的電容；VDSTH: DESAT閾值電壓；ICHG: DESAT 充電電流

表1 給出了以 SiLM5992SH 為例，在圖1 中不同CBLANK下的消隱時間，其中VDSTH=9V, ICHG=480uA。

表 1. 圖 1在不同CBLANK下的消隱時間

圖 4. CBLANK=270pF時

DESAT腳上的波形，tBLANK=5.7μs

圖 4是在CBLANK=270pF時，實測的DESAT腳上的波形，消隱時間tBLANK=5.7μs，與計算值基本一致（考慮到寄生電容以及誤差）。

不同功率管的短路耐受時間不同。一般IGBT的短路耐受時間在10μs以內，而SiC的短路耐受時間要控制在3μs以內。

從表1可以看到，如果消隱時間要短，所用的CBLANK的電容就要小。如果CBLANK太小，DESAT腳就容易受噪聲的影響而導致誤觸發。

為了得到短的消隱時間，同時又能用比較大的CBLANK電容提高抗噪能力，可以采用圖 5這樣的應用電路。通過在DESAT腳上拉一個電阻RCHG到電源VCC來增大對CBLANK的充電電流，從而在CBLANK電容比較大的情況下得到較小的消隱時間。具體的消隱時間tBLANK均可以由下面的公式（2）得到。

圖 5. 用輔助電阻RCHG的DESAT保護電路

表 2. 圖5在VCC=15V和RCHG=9.1kΩ時

不同CBLANK下的消隱時間

圖 6是VCC=15V, RCHG=9.1kΩ, CBLANK=270pF時DESAT腳上的波形，實測消隱時間tBLANK=1.68μs，跟計算值基本一致（考慮到寄生電容以及誤差）。

圖 6. VCC=15V, RCHG=9.1kΩ, CBLANK=270pF時DESAT腳上的波形，tBLANK=1.68μs

實際的DESAT短路響應時間還要考慮驅動芯片本身內部在DESAT腳上做的抗噪消隱時間tDESAT(LEB)和tDESAT(GF)。功率器件短路保護總的響應時間為：tDESAT_TOT= tBLANK+ tDESAT(LEB)+ tDESAT(GF)

tDESAT(LEB): VOUT的上升沿到DESAT開始充電的時間

tDESAT(GF): DESAT閾值的防抖時間

在SiLM5992SH中，tDESAT(LEB)=250ns，tDESAT(GF) =150ns。

在上面的例子中, 實際的短路保護時間tDESAT_TOT= 1.68μs + 250ns+150ns=2.08μs

02

DESAT 電壓閾值

退飽和電壓閾值要根據所選的功率管來選定，功率管選定后再來選擇相應驅動器的退飽和閾值電壓。比如在SiLM5992SH中的退飽和閾值是9V。當然也可用通過外圍的器件來調整實際工作的退飽和電壓閾值。

實際在功率管CE兩端的退飽和電壓VCE_DESAT= VDSTH-ICHG x RDST-VF_DST 公式（3）

其中，VF_DST是二極管DDST的前向電壓。可以通過串接多個二極管的方式來調整VCE_DESAT的值。如圖 7中就是串聯兩個二極管來改變退飽和的閾值。需要注意的是，這里的反向二極管DDST是需要快恢復的高壓二極管，其耐壓至少要比在功率管CE間的電壓大。

圖 7. 串接二極管來改變退飽和電壓閾值

從公式（3）中可以看出，ICHG流過RDST的電壓也會影響實際的退飽和閾值電壓，所以在選擇RDST的時候也要考慮它對退飽和電壓閾值的影響。

串聯RDST的一個主要目的是用RDST來限制流經DESAT的電流，防止在CE間有大的震蕩，特別是有負壓出現時對DESAT腳損壞。RDST的值一般在100Ω到1kΩ。

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其他考慮

在發生短路時，功率管兩端的電壓可能會發生振幅較大的震蕩，此時DESAT管腳處的電壓容易被干擾，導致DESAT管腳電壓出現比較低的負電壓或正電壓超過VCC電壓。在這種情況下，可以在DESAT管腳處對GND和VCC分別加肖特基二極管來做鉗位以保護DESAT管腳，如圖8。

圖 8. DESAT腳用二極管做鉗位保護

總 結

驅動芯片的退飽和保護功能提供了一種功率器件短路保護的方法。為了能夠有效的保護功率器件，需要對DESAT的外圍電路進行有效的設計，滿足不同功率器件的短路耐受時間和退飽和閾值電壓。同時為了預防在短路情況下的惡劣工況，必要時需要對DESAT腳做好鉗位保護。

審核編輯：劉清