DESAT外圍電路設(shè)計(jì)的應(yīng)用筆記

DESAT保護(hù)外圍器件的設(shè)計(jì)

本應(yīng)用筆記主要闡述了DESAT保護(hù)電路工作原理以及在設(shè)計(jì)DESAT外圍電路時(shí)需要考慮的一些因素。

DESAT 保護(hù)的工作原理

IGBT、SiC等功率器件被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、汽車和能源行業(yè)，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(tǒng)更加可靠，功率器件需要有快速可靠的短路保護(hù)機(jī)制，而DESAT退飽和保護(hù)是一種常用的短路保護(hù)措施。

圖 1. 功率器件正常工作時(shí)DESAT電流的流向

圖 1 . 在功率器正常開(kāi)通工作的時(shí)候，驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部的電流源ICHG從DESAT腳流出，流過(guò)RDST， DDST和功率管。此時(shí)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(huì)被VCE電壓鉗位住，不會(huì)被充到DESAT閾值電壓（VDSTH）。

當(dāng)功率管如IGBT發(fā)生短路的時(shí)候，由于IGBT退出飽和區(qū)，VCE電壓會(huì)迅速的抬升，反向二極管DDST被阻斷，ICHG給電容CBLANK充電。當(dāng)CBLANK兩端的電壓VDESAT超過(guò)VDSTH的時(shí)候，驅(qū)動(dòng)芯片就檢測(cè)到有短路發(fā)生而將驅(qū)動(dòng)輸出拉低從而關(guān)斷外部的功率器件。圖 2 顯示了在短路發(fā)生時(shí)，DESAT電流的流向。

圖 2. 功率器件短路時(shí)DESAT電流的流向

DESAT保護(hù)外圍器件的設(shè)計(jì)

要用好DESAT保護(hù)功能，外圍器件的設(shè)計(jì)非常重要，主要涉及到消隱時(shí)間和DESAT電壓閾值。本文以SiLM5992SH為例來(lái)說(shuō)明具體的設(shè)計(jì)考量和計(jì)算。

圖 3. SiLM5992SH的DESAT保護(hù)時(shí)序圖

01

消隱時(shí)間（Blank Time）

根據(jù)圖 2中的電路所示，消隱時(shí)間tBLANK可以由以下公式（1）得到：

其中tBLANK: 消隱時(shí)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(shí)間，其中VDSTH=9V, ICHG=480uA。

表 1. 圖 1在不同CBLANK下的消隱時(shí)間

圖 4. CBLANK=270pF時(shí)

DESAT腳上的波形，tBLANK=5.7μs

圖 4是在CBLANK=270pF時(shí)，實(shí)測(cè)的DESAT腳上的波形，消隱時(shí)間tBLANK=5.7μs，與計(jì)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(shí)間不同。一般IGBT的短路耐受時(shí)間在10μs以內(nèi)，而SiC的短路耐受時(shí)間要控制在3μs以內(nèi)。

從表1可以看到，如果消隱時(shí)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(dǎo)致誤觸發(fā)。

為了得到短的消隱時(shí)間，同時(shí)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(yīng)用電路。通過(guò)在DESAT腳上拉一個(gè)電阻RCHG到電源VCC來(lái)增大對(duì)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(shí)間。具體的消隱時(shí)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(hù)電路

表 2. 圖5在VCC=15V和RCHG=9.1kΩ時(shí)

不同CBLANK下的消隱時(shí)間

圖 6是VCC=15V, RCHG=9.1kΩ, CBLANK=270pF時(shí)DESAT腳上的波形，實(shí)測(cè)消隱時(shí)間tBLANK=1.68μs，跟計(jì)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(shí)DESAT腳上的波形，tBLANK=1.68μs

實(shí)際的DESAT短路響應(yīng)時(shí)間還要考慮驅(qū)動(dòng)芯片本身內(nèi)部在DESAT腳上做的抗噪消隱時(shí)間tDESAT(LEB)和tDESAT(GF)。功率器件短路保護(hù)總的響應(yīng)時(shí)間為：tDESAT_TOT= tBLANK+ tDESAT(LEB)+ tDESAT(GF)

tDESAT(LEB): VOUT的上升沿到DESAT開(kāi)始充電的時(shí)間

tDESAT(GF): DESAT閾值的防抖時(shí)間

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

在上面的例子中, 實(shí)際的短路保護(hù)時(shí)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(jù)所選的功率管來(lái)選定，功率管選定后再來(lái)選擇相應(yīng)驅(qū)動(dòng)器的退飽和閾值電壓。比如在SiLM5992SH中的退飽和閾值是9V。當(dāng)然也可用通過(guò)外圍的器件來(lái)調(diào)整實(shí)際工作的退飽和電壓閾值。

實(shí)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?？梢酝ㄟ^(guò)串接多個(gè)二極管的方式來(lái)調(diào)整VCE_DESAT的值。如圖 7中就是串聯(lián)兩個(gè)二極管來(lái)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(fù)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(lái)改變退飽和電壓閾值

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

串聯(lián)RDST的一個(gè)主要目的是用RDST來(lái)限制流經(jīng)DESAT的電流，防止在CE間有大的震蕩，特別是有負(fù)壓出現(xiàn)時(shí)對(duì)DESAT腳損壞。RDST的值一般在100Ω到1kΩ。

03

其他考慮

在發(fā)生短路時(shí)，功率管兩端的電壓可能會(huì)發(fā)生振幅較大的震蕩，此時(shí)DESAT管腳處的電壓容易被干擾，導(dǎo)致DESAT管腳電壓出現(xiàn)比較低的負(fù)電壓或正電壓超過(guò)VCC電壓。在這種情況下，可以在DESAT管腳處對(duì)GND和VCC分別加肖特基二極管來(lái)做鉗位以保護(hù)DESAT管腳，如圖8。

圖 8. DESAT腳用二極管做鉗位保護(hù)

總 結(jié)

驅(qū)動(dòng)芯片的退飽和保護(hù)功能提供了一種功率器件短路保護(hù)的方法。為了能夠有效的保護(hù)功率器件，需要對(duì)DESAT的外圍電路進(jìn)行有效的設(shè)計(jì)，滿足不同功率器件的短路耐受時(shí)間和退飽和閾值電壓。同時(shí)為了預(yù)防在短路情況下的惡劣工況，必要時(shí)需要對(duì)DESAT腳做好鉗位保護(hù)。

審核編輯：劉清