DESAT外围电路设计的应用笔记

DESAT保护外围器件的设计

本应用笔记主要阐述了DESAT保护电路工作原理以及在设计DESAT外围电路时需要考虑的一些因素。

DESAT 保护的工作原理

IGBT、SiC等功率器件被广泛应用于工业、汽车和能源行业，如变频器、光伏逆变器、车载充电器、牵引逆变器等。为了让系统更加可靠，功率器件需要有快速可靠的短路保护机制，而DESAT退饱和保护是一种常用的短路保护措施。

图 1. 功率器件正常工作时DESAT电流的流向

图 1 . 在功率器正常开通工作的时候，驱动芯片内部的电流源ICHG从DESAT脚流出，流过RDST， DDST和功率管。此时由于外部功率管CE两端的电压(VCE)比较低，所以DESAT管脚的电压（VDESAT）会被VCE电压钳位住，不会被充到DESAT阈值电压（VDSTH）。

当功率管如IGBT发生短路的时候，由于IGBT退出饱和区，VCE电压会迅速的抬升，反向二极管DDST被阻断，ICHG给电容CBLANK充电。当CBLANK两端的电压VDESAT超过VDSTH的时候，驱动芯片就检测到有短路发生而将驱动输出拉低从而关断外部的功率器件。图 2 显示了在短路发生时，DESAT电流的流向。

图 2. 功率器件短路时DESAT电流的流向

DESAT 保护外围器件的设计 

要用好DESAT保护功能，外围器件的设计非常重要，主要涉及到消隐时间和DESAT电压阈值。本文以SiLM5992SH为例来说明具体的设计考量和计算。

图 3. SiLM5992SH的DESAT保护时序图

01

消隐时间（Blank Time）

根据图 2中的电路所示，消隐时间tBLANK可以由以下公式（1）得到：

其中tBLANK: 消隐时间；CBLANK: 接在DESAT和地之间的电容；VDSTH: DESAT阈值电压；ICHG: DESAT 充电电流

表1 给出了以 SiLM5992SH 为例，在图1 中不同CBLANK下的消隐时间，其中VDSTH=9V, ICHG=480uA。

表 1. 图 1在不同CBLANK下的消隐时间

图 4. CBLANK=270pF时

DESAT脚上的波形，tBLANK=5.7µs

图 4是在CBLANK=270pF时，实测的DESAT脚上的波形，消隐时间tBLANK=5.7µs，与计算值基本一致（考虑到寄生电容以及误差）。

不同功率管的短路耐受时间不同。一般IGBT的短路耐受时间在10µs以内，而SiC的短路耐受时间要控制在3µs以内。

从表1可以看到，如果消隐时间要短，所用的CBLANK的电容就要小。如果CBLANK太小，DESAT脚就容易受噪声的影响而导致误触发。

为了得到短的消隐时间，同时又能用比较大的CBLANK电容提高抗噪能力，可以采用图 5这样的应用电路。通过在DESAT脚上拉一个电阻RCHG到电源VCC来增大对CBLANK的充电电流，从而在CBLANK电容比较大的情况下得到较小的消隐时间。具体的消隐时间tBLANK均可以由下面的公式（2）得到。

图 5. 用辅助电阻RCHG的DESAT保护电路

表 2. 图5在VCC=15V和RCHG=9.1kΩ时

不同CBLANK下的消隐时间

图 6是VCC=15V, RCHG=9.1kΩ, CBLANK=270pF时DESAT脚上的波形，实测消隐时间tBLANK=1.68µs，跟计算值基本一致（考虑到寄生电容以及误差）。

图 6. VCC=15V, RCHG=9.1kΩ, CBLANK=270pF时DESAT脚上的波形，tBLANK=1.68µs

实际的DESAT短路响应时间还要考虑驱动芯片本身内部在DESAT脚上做的抗噪消隐时间tDESAT(LEB)和tDESAT(GF)。功率器件短路保护总的响应时间为：tDESAT_TOT= tBLANK+ tDESAT(LEB)+ tDESAT(GF)

tDESAT(LEB): VOUT的上升沿到DESAT开始充电的时间

tDESAT(GF): DESAT阈值的防抖时间

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

在上面的例子中, 实际的短路保护时间tDESAT_TOT= 1.68µs + 250ns+150ns=2.08µs

02

DESAT 电压阈值

退饱和电压阈值要根据所选的功率管来选定，功率管选定后再来选择相应驱动器的退饱和阈值电压。比如在SiLM5992SH中的退饱和阈值是9V。当然也可用通过外围的器件来调整实际工作的退饱和电压阈值。

实际在功率管CE两端的退饱和电压VCE_DESAT= VDSTH-ICHG x RDST-VF_DST   公式（3）

其中，VF_DST是二极管DDST的前向电压。可以通过串接多个二极管的方式来调整VCE_DESAT的值。如图 7中就是串联两个二极管来改变退饱和的阈值。需要注意的是，这里的反向二极管DDST是需要快恢复的高压二极管，其耐压至少要比在功率管CE间的电压大。

图 7. 串接二极管来改变退饱和电压阈值

从公式（3）中可以看出，ICHG流过RDST的电压也会影响实际的退饱和阈值电压，所以在选择RDST的时候也要考虑它对退饱和电压阈值的影响。

串联RDST的一个主要目的是用RDST来限制流经DESAT的电流，防止在CE间有大的震荡，特别是有负压出现时对DESAT脚损坏。RDST的值一般在100Ω到1kΩ。

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其他考虑

在发生短路时，功率管两端的电压可能会发生振幅较大的震荡，此时DESAT管脚处的电压容易被干扰，导致DESAT管脚电压出现比较低的负电压或正电压超过VCC电压。在这种情况下，可以在DESAT管脚处对GND和VCC分别加肖特基二极管来做钳位以保护DESAT管脚，如图8。

图 8. DESAT脚用二极管做钳位保护

总 结 

驱动芯片的退饱和保护功能提供了一种功率器件短路保护的方法。为了能够有效的保护功率器件，需要对DESAT的外围电路进行有效的设计，满足不同功率器件的短路耐受时间和退饱和阈值电压。同时为了预防在短路情况下的恶劣工况，必要时需要对DESAT脚做好钳位保护。

审核编辑：刘清