IGBT短路保護(hù)之退飽和即Desat概念

工程師在做IGBT短路保護(hù)的時候，常會接觸到退飽和即Desat的概念，到底怎么一回事，今天就用通俗的話給它說清楚了，千萬不要錯過

全控半導(dǎo)體器件不可避免要涉及工作區(qū)的問題，這也是應(yīng)用全控半導(dǎo)體器件的基本，但有時候不太好理解，而且容易弄混。例如：

IGBT分為截止區(qū)、線性區(qū)、和飽和區(qū)；

三極管分為截止區(qū)、飽和區(qū)、放大區(qū)；

MOS分為截止區(qū)、可變電阻區(qū)和飽和區(qū)。

以IGBT為例，看一下平時工程師們說的退飽和保護(hù)及其注意事項是個啥

首先得知道，IGBT在工作的時候，一般是工作在飽和區(qū)的，就是下圖中的紅色區(qū)域。為什么？很容易理解，在這個區(qū)域Vce隨著Ic的變化非常小，因此損耗也就很小，功率半導(dǎo)體讓人關(guān)注的歸根結(jié)底不就是個損耗嘛

那假如有一種工況，Ic持續(xù)增大，當(dāng)大到一定程度，這個時候Vce增加很快，但I(xiàn)c上升速率變慢，IGBT便進(jìn)入了飽和區(qū)，即紅色方框右邊的區(qū)域，這個區(qū)域有兩個顯著的特點：

Vce和Ic的乘積非常大，也就是損耗功率很大，往往超過10us就會燒壞，很危險；

飽和區(qū)電流與Vge成正相關(guān)，即Vge大的話，進(jìn)入飽和區(qū)的電流也會大一點，上圖也可以看出來。

那么飽和區(qū)怎樣理解好記又好用呢？

飽和區(qū)怎樣容易理解？

打一個比方可能大家對飽和區(qū)到線性區(qū)的過渡會更容易理解：

看下邊這個水閥的開關(guān)就是Vge，Vge的大小便是水閥被打開的大小，水閥里的水是電流Ic，水閥的水壓就是Vce

對于特定的Vge，即水閥打開的大小固定，Ic小的時候能夠順利通過，水壓Vce也很?。籌c增大，只要在合理范圍內(nèi)，依然能夠順利通過，Vce依然很??；當(dāng)增大到上圖的線性區(qū)，再大也就過不去了，因為閥門就開這么大，因此這個時候水壓Vce會快速增長但水流卻不怎么變大

于是我們發(fā)現(xiàn)一個有趣的現(xiàn)象，在線性區(qū)的電流是跟Vge也就是類比中的水閥打開大小直接相關(guān)的，想要增大線性區(qū)電流，閥門開大點就行了，也就是把Vge給大點就行了，前提是要在IGBT的承受范圍之內(nèi)

說白了，線性的含義可以理解成線性區(qū)電流跟控制電壓Vge近似成線性關(guān)系

上邊只是打了個比方讓大家好記，畢竟電是電，水是水嘛。至于真正的原理，想必也不用我在此贅述，此處請翻課本。

學(xué)過的一般存在兩種情況：

學(xué)霸從原理層面理解得非常透徹，用起來得心應(yīng)手；

學(xué)渣死記硬背還老記錯，飽和區(qū)那么飽和電流咋還小呀

而我的作用就是給大家提供一種中間態(tài)，好記、好用、且不用從電場、載流子、溝道的層面去理解

其實三極管也很類似，只不過這個時候的水閥開關(guān)變成了基極電流Ib；倒是MOS的理解跟它們有點不同，它的飽和區(qū)(又稱有源區(qū))對應(yīng)三極管的放大區(qū)

接下來就是怎么檢測并保護(hù)了

上邊分析了，退出飽和區(qū)進(jìn)入線性區(qū)之后，發(fā)熱很厲害，IGBT很危險，這時候就要求在IGBT設(shè)計驅(qū)動的時候，要能夠檢測到并保護(hù)，這樣才是一個合格的驅(qū)動

例如在驅(qū)動器設(shè)計的時候，上下管直通，IGBT便會迅速退出飽和態(tài)，C-E電壓迅速升高，最終達(dá)到直流母線電壓Udc

下圖是典型的退飽和檢測電路：

原理：

設(shè)定比較電壓Vref，例如7V

當(dāng)IGBT開始導(dǎo)通Vce還沒有下降時，恒流源Idesat給Cdesat充電，充電至Vref的時間稱之為消隱時間tb，tb=Cdesat*Vref/Idesat

IGBT正常導(dǎo)通，Cdesat電壓還沒充到Vref，退飽和尚未觸發(fā)，由于Vce下降，Idesat流過電阻Rdesat和高壓二極管Ddesat和IGBT，Desat引腳電壓會下降至：Vdesat=Idesat*Rdesat+VFdiode+Vce

如果IGBT短路退飽和，Vce上升，二極管截止，恒流源Idesat給Cdesat充電至Vref大小，從而觸發(fā)退飽和保護(hù)

需要注意：二極管Ddesat的基本作用是解耦高壓，如果該二極管的寄生電容參數(shù)比較大，根據(jù)I=C(dVce/dt），會有額外電流給Cdesat充電，導(dǎo)致檢測比較敏感

下圖分別是一類短路和二類短路可以檢測的區(qū)域（一類短路時IGBT直通，電流迅速上升，二類短路時負(fù)載短路，電流上升相對較慢）

編輯：hfy