驱动芯片退饱和保护(DESAT)应用指导
新能源汽车电驱系统可以看成一个高压、大电流、强开关噪声的功率转换系统,动力电池提供直流母线,逆变器把直流电转换成三相交流电,再由电机输出机械功率。
在各种故障里,功率模块短路最危险,短路发生时,功率器件两端同时承受较高电压和远高于额定值的电流,芯片内部瞬时功耗很大。
如果不能在 SOA(Safe Operating Area)内识别并关断,功率模块和电驱系统都可能被烧毁。
退饱和保护,也就是 DESAT保护,是通过检测功率管导通压降异常升高来判断短路,它不直接测电流,而是利用功率管的导通状态变化:正常导通时 或 较低,短路电流快速上升后,器件脱离正常低压导通区域,两端压降随之升高。
下面主要整理几个问题:
- 短路能力应该看时间,还是看能量;
- DESAT 电路如何在高压功率管两端做电压检测;
- 、、、高压二极管和 deglitch filter 分别影响什么;
- 固定阈值驱动芯片如何通过外围电路调试 DESAT 响应;
- IGBT 和 SiC MOSFET 使用 DESAT 时有什么不同;
- 如果芯片只有 OC pin,如何把 OC 功能扩展成类似 DESAT 的保护。
短路能力评估
功率模块的短路承受能力通常可以分成两类指标:短路时间和短路能量。
短路时间由两部分组成:
其中, 是短路检测时间, 是驱动芯片执行关断并让栅极电压下降到安全状态所需要的时间。
短路检测要同时保证两件事情:
- 响应要快,否则功率模块中累积的短路能量会过大;
- 抗扰要强,否则开通过程中的 、寄生电感振荡、二极管结电容耦合都会导致误触发。
因此短路检测时间不是由单一参数决定,而是由短路保护阈值、前沿消隐时间、滤波时间、 电容、DESAT 充电电流、外部二极管寄生电容等因素共同决定。
短路关断时间则主要由关断策略决定,短路时电流等级很高,如果栅极被非常快地拉低,过大的 会通过功率回路寄生电感产生很大的电压过冲:
所以在短路时间和短路能量满足要求的前提下,驱动芯片通常会采用软关断或两级关断,检测要快,但关断不能只追求快。
实际上,只看“短路承受时间”并不总是最合适,功率器件失效的根本原因是短路期间芯片内部累积的能量和温升,短路能量更接近真实约束:
这里能解释两个常见现象:
- 短路电流越大,允许的短路承受时间越短;
- 直流母线电压越低,同样器件通常能承受更长短路时间;
从设计角度看,最终要确认的不是某个固定的 是否小于 datasheet 里给的典型值,而是在最坏母线电压、最高结温、最大短路电流和最差寄生参数下,功率器件是否还在 SOA 内。
DESAT 电路工作原理
短路保护方式大致分成电流检测和电压检测两类。
电流检测常见方式包括:
- senseFET 或功率模块内部集成的电流比例输出;
- shunt 电阻;
- Rogowski coil 或电流互感器;
- 通过驱动回路、栅极电荷等间接推断电流;
电压检测最典型的方式是 DESAT,很多功率模块没有集成 senseFET,额外串 shunt 又会增加损耗、成本和寄生电感,因此在 IGBT 和部分 SiC MOSFET 驱动中DESAT 很常见。
DESAT 的基本原理是:功率管正常导通时 或 很小,短路时电流快速上升,器件两端压降异常升高,驱动芯片通过 DESAT pin 判断这个压降是否超过阈值。
但是,功率管关断时两端可能承受几百伏甚至上千伏电压,驱动芯片的 DESAT pin 不可能直接接到功率管漏极/集电极,因此需要在功率管高压端和 DESAT pin 之间串入高压二极管 。
下面以 IGBT 为例说明正常工作和发生短路时DESAT保护检测的工作状态过程:
正常导通时
IGBT 正常导通时, 可能只有 2V 左右,芯片内部 DESAT 充电电流源 从 DESAT pin 流出,经过 和高压二极管 ,最后流向 IGBT。
此时 DESAT pin 上的电压大概为:
其中:
- 是 IGBT 正常导通压降;
- 是单个高压二极管的正向压降;
- 是串联高压二极管数量;
- 是 DESAT 限流和阻尼电阻;
- 是驱动芯片内部或外部提供的 DESAT 充电电流;
只要这个电压低于芯片内部 DESAT 阈值,驱动芯片就认为功率管还在正常导通。
短路发生时
当短路发生时, 或 会快速升高,高压二极管 随之反偏,DESAT pin 到功率管高压端的电流路径被切断。
这时内部电流源 只有一条主要路径:给 电容充电。随着 电压升高,当 DESAT pin 电压超过芯片阈值,并且超过 deglitch filter 所需的持续时间后,驱动芯片触发短路保护。
理想情况下,消隐时间可以用下面的式子粗略估算:
如果考虑正常导通时 上已经有一个初始电压,则更接近:
这两个公式对应的设计含义很直接: 越大,检测越慢,抗扰更强; 越大,检测越快,对噪声和外围路径的要求也更高。
退饱和电路的关键组成和影响因素
DESAT 电路看起来简单,调试时却很少是改一个参数就结束,外围器件、驱动芯片内部参数、功率回路寄生参数和测试条件都会影响结果。
电容
对短路检测时间影响最大的外围器件通常是 ,这个电容决定 DESAT pin 电压从正常导通状态上升到阈值需要多长时间。
其基本关系为:
在实际系统中, 不能只按响应速度往小取,DESAT pin 附近是高阻、低电流的模拟检测节点,很容易被功率级的 通过高压二极管结电容耦合干扰。
通常可以先把 放在 33pF-330pF 的范围内做评估,对 SiC MOSFET 系统尤其要注意,SiC 开关速度快, 大,如果 太小,DESAT pin 上的瞬态耦合电压可能足以触发误保护。
高压二极管
高压二极管的作用有两个:
- 功率管关断时隔离高压,保护 DESAT pin;
- 功率管导通时把 DESAT pin 的检测电压钳到 或 附近。
高压二极管选型时主要看:
- 反向耐压是否满足母线电压和瞬态过冲;
- 反向恢复是否足够快,避免关断/开通瞬间反向恢复电流造成误触发;
- 结电容是否足够小,减小 位移电流;
- 高温漏电是否会明显改变 DESAT pin 状态;
- 是否需要多个二极管串联来分压或降低等效结电容;
DESAT 误触发中很常见的一类问题,是高压二极管结电容把功率管高压端的 耦合到 上。
正向 可能给 DESAT 灌电流,负向 可能从 DESAT 拉电流,这个现象在 SiC 系统中更明显。
电阻
位于 DESAT pin 和高压二极管之间,主要作用是限制瞬态电流、配合 形成滤波、抑制功率级耦合过来的振荡。
一般建议 设计在 500Ω-2kΩ 范围内,这个范围并不是绝对值,实际还要结合 DESAT 充电电流、高压二极管数量、芯片阈值、功率模块正常导通压降和系统噪声来确定。
上的压降会进入保护阈值计算:
如果 ,,那么 上就有约 0.5V 压降,这个数值不算小,不能在阈值计算里忽略。
DESAT 充电电流
DESAT 充电电流决定 的充电速度。
以 TI 驱动为例:
- UCC21750-Q1 及部分 UCC217xx 系列中,DESAT 充电电流为固定值,典型为 500µA;
- UCC5870-Q1 中,DESAT 充电电流可通过 SPI 配置,最高可到 1mA;
- UCC5880-Q1 中,DESAT 充电电流可配置,最高可到 2mA。
在驱动输入为低或悬空时,DESAT pin 通常会被内部下拉电流源拉低,避免关断状态误触发,只有驱动输入变高,并经过前沿消隐时间之后,DESAT 充电电流源才开始给外部电容充电。
更大的 可以缩短短路检测时间,同时会带来两个影响:
- 对 、 和高压二极管路径的阈值计算更敏感;
- 如果外部又叠加上拉电流源,需要确认关断状态和消隐时间内内部下拉能力是否还足够。
DESAT 阈值和 deglitch filter
DESAT 阈值决定了驱动芯片认定短路的电压边界:
UCC21750-Q1 和 UCC21759-Q1 的 DESAT 阈值为 9V,更适合 IGBT 模块。
UCC21755-Q1 和 UCC21756-Q1 的 DESAT 阈值为 5V,更适合 SiC MOSFET。
UCC5870-Q1 和 UCC5880-Q1 这类带 SPI 的功能安全驱动,则可以通过寄存器灵活配置阈值。
为了避免系统噪声造成误触发,DESAT 内部还会设计 deglitch filter,只有 DESAT 电压高于阈值并持续超过滤波窗口,驱动芯片才真正触发保护。
这里的取舍比较直接:
- deglitch 时间越长,抗干扰能力越强;
- deglitch 时间越长,短路检测时间和短路能量也越大;
关断方式
短路保护不只是检测,还要看检测之后怎么关断。
短路时直接快速关断会带来很大的 ,功率回路寄生电感会把这个 转成 或 过冲。
对于母线电压很高、回路电感不小的系统,过冲可能比短路电流本身更快打穿功率器件。
常见处理方式包括:
- 软关断:用较小下拉电流慢慢释放栅极电荷;
- 两级关断:先用受控速度把栅极拉到中间电位,再完全关断;
- 分离 OUTH/OUTL:开通和关断路径分开设置栅极电阻;
- Miller clamp:避免关断器件被对侧快速开关引起的 Miller 电流误开通;
短路保护的目标不是“最快把 gate 拉低”,而是在功率器件 SOA 内,以不过压的方式进入安全状态。
DESAT 调试方法
如何增加 DESAT 充电电流
对没有 SPI 接口、DESAT 参数固定的驱动芯片,如果实测短路响应时间或短路保护能量不满足要求,最直接的调试方向有两个:
- 减小 ;
- 增加等效 。
但是减小 会提高误触发风险,因此有时会采用外部上拉电流源的方式来增加 DESAT 充电电流。
外部上拉电流源通常有两条路径:
上拉到 OUTH/OUT
把外部充电电阻上拉到 OUTH 或 OUT 的优点是:只有输出为高时,外部电流源才启动。
这种接法的好处是:
- 额外功耗更低;
- 关断状态不会一直给 充电;
- 前沿消隐时间内,如果输出还没有真正进入稳定开通状态,外部电流源不会提前把 充起来;
- 开通过程误触发风险相对更低;
但如果系统采用负压关断,比如 ,则需要确认 DESAT pin 的负压承受能力,如果 OUTH/OUT 会被拉到负压,DESAT pin 可能需要额外钳位保护。
上拉到 VDD/VCC2
把外部电流源上拉到二次侧电源 VDD/VCC2,没有负压关断问题,电路也更直观。
但它是常开电流源,与输入输出状态无关。这意味着:
- 额外功耗更大;
- 关断状态下也会向 DESAT 网络注入电流;
- 消隐时间内也可能提前给 充电;
- 会削弱内部下拉电流源在关断状态和 blanking 阶段的控制能力;
实际设计时需要把内部充电电流和外部充电电流合并计算:
如果外部电流源由电阻产生,则可以先用近似式估算:
这里的 要按实际路径计算,包括二极管压降、齐纳压降、DESAT pin 电压范围和输出高电平能力。
如何调整 DESAT 阈值电压
系统设计时先定义希望触发 DESAT 的功率管压降,这个压降要高于正常工作电流范围下的最大 或 ,同时又要低到足够快地识别短路。
DESAT pin 的阈值电压不等于功率管两端的真实保护阈值,路径上还有 、高压二极管、可能存在的齐纳二极管。
一般可以给出的计算关系为:
其中:
- 是驱动芯片内部 DESAT 阈值;
- 是额外串入的齐纳管压降;
- 是串联高压二极管的总正向压降;
- 是限流电阻压降;
- 是功率模块实际看到的 DESAT 保护阈值;
举个简单估算:
假设使用 9V DESAT 阈值的驱动,,,串联两个高压二极管,每个二极管在该电流下 ,没有齐纳管,则:
如果同一个 9V 阈值芯片希望兼容 SiC MOSFET,可以在路径中增加齐纳二极管来降低实际保护阈值。齐纳管压降要按 DESAT 充电电流条件下的值计算,不能只看 datasheet 中某个较大测试电流下的标称 。
如何使用 OC 功能搭建DESAT电路
一些驱动芯片没有 DESAT pin,只有 OC pin,例如 UCC21710-Q1、UCC21732-Q1 这类芯片,OC 保护本意是通过检测 shunt 电阻压降来判断过流,阈值通常较低,比如 UCC21710-Q1 的 OC 阈值约为 0.7V。
如果希望用 OC pin 实现类似 DESAT 的保护,可以通过外围电路把高压侧 或 转换成 OC pin 能识别的低压信号。
基本思路如下:
- 使用 隔离功率管关断状态下的高压;
- 使用 从 VDD 或 OUT 提供充电电流;
- 使用 实现 blanking;
- 使用 、 把较高的功率管压降转换到 OC pin 的阈值范围;
- 触发后由芯片内部 OC fault 逻辑执行关断;
等效保护阈值可以按下面公式估算:
其中 是芯片本身的 OC 保护阈值, 是高压二极管正向压降。
对应的 blanking 时间可以按下面公式估算[12]:
公式中的对数项必须有物理意义,也就是括号内要大于 0,设计时不要只把公式丢进计算器,还要确认分压电阻、充电路径、OC pin 输入电流、功耗和抗扰能力都合理。
IGBT 和 SiC MOSFET 的 DESAT 差异
DESAT 更适合 IGBT,原因是 IGBT 在过流时会从饱和区进入有源区, 会明显升高,通常把 DESAT 阈值放在电流膝点附近,例如 7V-10V 这一类范围。
SiC MOSFET 的情况不一样,SiC MOSFET 正常导通时工作在线性区,短路时会进入饱和区,但它的线性区范围更大, 会随着 继续增加,不像 IGBT 那样有一个非常好用的电流膝点,也就是说,SiC 的 阈值不一定能非常准确地代表短路电流。
TI 的 SiC 短路保护资料给出几个判断:
- SiC MOSFET 的短路保护要求比 IGBT 更严格;
- 用于 IGBT 的 DESAT blanking time 往往太长,不适合直接搬到 SiC;
- SiC MOSFET 的短路关断时间通常希望做到小于 2µs 量级;
- SiC 开关速度快,开通过程噪声强,因此阈值降低后误触发风险也会增加;
- 对 SiC 来说,shunt/OCP、集成 current scaling 或 senseFET 往往比传统 DESAT 更容易获得更快、更准确的短路保护;
方法选择大致如下:
| 保护方式 | 优点 | 缺点 | 更适合的场景 |
|---|---|---|---|
| DESAT | 外围简单,不需要串 shunt,大量 IGBT 驱动支持 | 有 blanking delay,受二极管结电容和 影响 | IGBT,或短路承受能力较宽松的 SiC 应用 |
| Shunt/OCP | 电流检测直接,响应快,阈值直观 | 有功耗、成本和寄生电感问题,需要高速比较器/ADC | SiC MOSFET,高带宽保护 |
| senseFET/current scaling | 损耗小,检测同步性好 | 依赖功率模块集成,成本和可选型受限 | 集成电流检测的功率模块 |
| di/dt/Rogowski | 响应快,隔离方便 | 模拟前端复杂,抗扰和校准难 | 大功率系统、专用保护链路 |
所以,如果设计对象是 IGBT,DESAT 往往是默认可行方案,如果设计对象是 SiC MOSFET,就需要先判断 DESAT 是主保护,还是 OCP 之外的第二道保护。
参数估算示例
假设使用固定 9V DESAT 阈值的驱动,内部 DESAT 充电电流为 500µA,。如果忽略初始电压,blanking 时间为:
但如果考虑正常导通时 已经被充到大约 3.5V,例如 、两个二极管总压降约 1V、 压降 0.5V,则:
如果把 改成 330pF,则同样条件下:
如果把等效充电电流提高到 1mA,响应时间大约减半。
这个估算说明,、 和初始电压都会明显影响检测时间。实际调试时不要只套 这个最简公式,要把二极管压降、 压降、正常导通压降和前沿消隐时间一起放进去。
设计和调试流程
DESAT 设计可以按下面顺序调试:
确认功率器件短路能力:先从功率模块 datasheet 或厂商测试数据中确认短路承受时间、短路能量、测试母线电压、结温、栅极电压和关断条件。
确认保护目标:明确要保护的是 IGBT 还是 SiC MOSFET,目标是保护三相桥的哪一类短路:桥臂直通、相线对母线短路、相线对地短路、负载侧短路,还是异常续流导致的过压/过流。
选择检测方式:IGBT 可以优先考虑 DESAT,SiC MOSFET 如果短路承受时间很短,建议评估 shunt/OCP、模块 current scaling 或更高速的电流检测方式,DESAT 可以作为备选或第二道保护。
设置阈值:把正常最大工作电流下的 或 、高温导通压降、二极管压降、 压降都算进去。阈值要高于正常工作包络,又要低于短路能量允许范围对应的检测边界。
设置 blanking 和 filter:根据开通过程波形选择 、 和 deglitch 时间,要保证开通瞬态不会误触发,同时短路检测总延迟仍然满足 SOA。
设计关断方式:短路关断要同时看短路电流下降速度和 过冲,不要只追求最快关断,两级关断、软关断、分离 OUTL 电阻、Miller clamp 都应结合功率回路寄生电感一起验证。
做实测闭环:示波器建议至少同时观察:
- gate 电压;
- DESAT pin 电压;
- 或 ;
- 短路电流;
- fault pin;
- OUT/OUTH/OUTL;
实测时最好从较低母线电压、较短脉冲宽度开始,逐步逼近目标工况,短路测试能量很高,测试夹具、电流探头、差分探头、隔离供电和安全距离都要提前确认。
容易踩坑的地方
把 DESAT 阈值当成功率管真实阈值:DESAT pin 阈值不是 或 阈值,真实保护阈值要扣除二极管、齐纳管和 上的压降。
只按速度取小: 太小会提高响应速度,但也更容易被高压二极管结电容耦合过来的 干扰,SiC 系统尤其要注意。
忽略高压二极管结电容:DESAT 的检测电流通常只有几百微安,二极管结电容耦合出来的瞬态电流并不一定小,两个高压二极管串联有时不只是为了耐压,也是为了降低等效结电容。
负压关断时没有保护 DESAT pin:如果外部充电电流源接到 OUT,而 OUT 在关断时会到负压,需要确认 DESAT pin 的负压承受能力,必要时需要增加钳位二极管或限流结构。
deglitch filter 设得太长:长 deglitch 可以屏蔽噪声,但会直接增加短路检测延迟,对 SiC MOSFET 这种短路承受时间较短的器件,不能为了抗扰把 filter 时间无限加长。
只验证常温,不验证高温和漏电:高压二极管漏电、齐纳管特性、功率管导通压降、驱动芯片阈值都随温度变化,DESAT 是一个微安级电流路径,高温漏电有时会带来不小的偏移。
版图中把 DESAT 走线放在高 dv/dt 区域:DESAT pin 到 、 的环路应尽量短, 靠近 DESAT pin 和 COM,DESAT 走线要远离开关节点、栅极大电流回路和高 铜皮,高压二极管的高压端需要满足爬电距离和耐压要求。
小结
DESAT 保护不是“检测到 或 变高就关断”这么简单,它要在检测速度、抗扰能力和关断过冲之间折中。
对 IGBT 来说,DESAT 与器件退饱和现象匹配得比较自然,7V-10V 这类阈值也比较常见。
对 SiC MOSFET 来说,由于短路承受时间更短、开关噪声更强、 与短路电流之间没有那么清晰的膝点,DESAT 设计要更谨慎,很多情况下 OCP 或 current sensing 会是更好的主保护方式。
工程调试中,可以按下面链路理解 DESAT:
链路里的每一个参数都会影响最终结果,最后还是要回到波形和能量上验证:检测是否足够快,误触发是否可接受,关断过冲是否还在器件 SOA 内。