一文读懂功率半导体DESAT保护的来龙去脉

以下完整内容发表在「SysPro电力电子技术」知识星球-  关于功率电子系统Desat保护的解析- 「SysPro电力电子」知识星球节选-   原创文章，非授权不得转载-  本篇为节选，完整内容会在知识星球发布，欢迎学习、交流
 

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导语：在电力电子领域，IGBT和MOSFET等开关器件的安全运行至关重要。其中，Desat保护作为一种关键的安全保护机制，对于防止器件因过载或短路而损坏具有重要作用。近期，这个"naughty boy"再次在我们的项目中现身。借此契机，我们重新认识一下"它"。毕竟，只有深入了解"它"，我们才能更好地驾驭"它"，让"它"在适当的时候出现，在不适当的时候安静消失。

本文将深入探讨Desat保护的原理、工作过程及其在电力电子设备中的应用。我们先从IGBT和MOSFET的正常工作状态出发，我们将解析退饱和现象的发生原因，进而阐述Desat保护的必要性。然后，我会详细介绍Desat事件的探测方法、保护电路的工作原理，以及在实际应用中如何合理配置Desat保护参数？同时，我们还将澄清饱和区与安全工作区的区别，强调在设置保护阈值和参数时需要考虑的关键因素。

图片来源：SysPro系统工程智库

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目录1. IGBT或Mosfet的"正常工作状态"什么样子？2. 什么是Desat保护？3. 为什么会发生退饱和现象？(从结构解释)
4. 为什么需要Desat保护？(知识星球发布)5. 造成Desat的原因有哪些?(知识星球发布)6. 怎么探测Desat事件呢？(知识星球发布)7. Desat保护的工作原理：4步走(知识星球发布)8. Desat保护在逆变器中的应用关键(知识星球发布)9. Tips: 1.饱和区≠安全工作区(知识星球发布)

注: 本篇为节选，完整内容会在知识星球发布(点击文末"阅读原文")

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01

IGBT或Mosfet的"正常工作状态"什么样子？

Desat保护作为一种安全保护，面对的是IGBT或Mosfet在非正常工作状态下的事件。想要了解非正常工作状态下的故事，前提是：先理解在正常工作状态下应该是什么样子？

正常工作状态，这一点我们在《电动汽车动力"心脏"IGBT全面解析：构成本质、工作原理与范围、关键特性、应用指南》中其实详细解释过，再简单回顾下：

IGBT是一种集成了MOSFET和双极晶体管优点的复合功率器件，可以简单理解：IGBT = 一个N沟道MOSFET+一个PNP晶体管。具体来讲：

• IGBT的发射极和集电极，来自于PNP晶体管
• IGBT的栅极来自于MOSFET
• MOSFET的漏极与PNP晶体管的基极接在一起

图片来源：网络

在N沟道IGBT中，当栅极相对于发射极施加正电压VGE时，例如15V，IGBT的工作原理与MOSFET类似，MOSFET开通，那么PNP晶体管基极被拉低，集电极与发射极之间将导通，此时集电极电流IC会源源不断地流向发射极。

Mosfet的主要结构包括：源极（Source）、漏极（Drain）、栅极（Gate）和衬底（或称为主体，Body）。注意力移到下面右图中：源极和漏极位于N型半导体材料中，而栅极则通过一层薄氧化物绝缘层与沟道隔离。衬底通常是P型半导体，与源极相连或短接。

图片来源：SysPro系统工程智库

下面是重点，3句话概括IGBT的工作过程：1. 栅极电压控制：当栅极电压相对于源极为正时，栅极下方的氧化物绝缘层中的电场会吸引沟道中的电子，形成一层导电沟道。这个沟道允许源极和漏极之间的电流流动。

2. 导通控制、截止控制：通过调整栅极电压的大小，可以控制沟道的宽度和导电性，从而控制源极和漏极之间的电流。当栅极电压足够高时，沟道完全导通，电流可以自由流动；当栅极电压降低时，沟道逐渐变窄，电流减小；当栅极电压低于某一阈值时，沟道关闭，电流被阻断。

3. 与IGBT输出特性曲线的关系：下图是IGBT产品典型的输出特性曲线，横轴是C，E两端电压，纵轴是归一化的集电极电流。

图片来源：网络

可以看到IGBT工作状态分为三个部分：

截止区：CE间电压小于一个门槛电压，即背面PN节的开启电压时，IGBT背面PN结截止，无电流流动，这就是我们上面说的截止控制区域。

饱和区：CE间电压大于门槛电压后，电流开始流动，CE间电压随着集电极电流上升而线性上升，这个区域称为饱和区。因为IGBT饱和电压较低，因此我们希望IGBT工作在饱和区域，这也是上面说的导通控制工作区。

线性区：随着CE间电压继续上升，电流进一步增大。到一定临界点后，CE电压迅速增大，而集电极电流并不随之增长。这时我们称IGBT退出了饱和区。在这个区间内，IGBT损耗增加，发热严重，是需要避免的工作状态。

OK，了解了IGBT的正常工作状态的样子，下面我们正式进入Desat的解读。

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02

什么是Desat保护？

Desat保护，全称为去饱和（Desaturation）保护，是一种用于电力电子系统中IGBT和MOSFET等半导体开关器件的保护机制。在电力电子设备中，IGBT和MOSFET等开关器件在正常工作状态下会处于饱和区，此时器件的导通电阻较低，能量损耗小。

然而，当这些器件承受过大的电流或发生短路时，它们会退出饱和区，进入线性放大区，此时器件的导通电阻急剧增加，导致能量损耗急剧上升，温度迅速升高，最终可能导致器件损坏。Desat保护机制就是用来监测这种去饱和状态，并在检测到去饱和事件时迅速采取措施，如关断开关器件，以防止器件损坏。| SysPro备注：结合01中的机理解读

图片来源：网络

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03

为什么会发生退饱和现象？(从结构解释)

这一点其实也在《电动汽车动力"心脏"IGBT全面解析：构成本质、工作原理与范围、关键特性、应用指南》中解释过，这里我从Desat角度再解释下。

要理解IGBT的退饱和现象，我们首先从其平面结构入手，与MOSFET在器件结构上相似。在MOSFET中，漏极D对应于IGBT的集电极C，而源极S则对应于IGBT的发射极E。这两种器件都可能遭遇退饱和现象。

图片来源：Kevin Chen, icrfq

通过查看简化平面型IGBT的剖面图，我们可以更好地理解退饱和发生的原因。

当栅极上施加一个超过阈值的正电压VGE时，栅极氧化层的下方会形成一个强反型层，这就是导电沟道的起源。如果此时给集电极C施加一个正电压VCE，电子就会在电场的作用下从发射极E不断流向集电极C，同时，集电极中的空穴也会从集电极C流向发射极E，于是电流就这样产生了。在这个阶段，电流会随着CE电压的增加而线性增长，器件处于饱和区。

图片来源：网络
 

然而，当CE电压继续增大时，MOS沟道末端的电势也会随着VCE的增加而上升，导致栅极和硅表面之间的电压差减小，无法再维持硅表面的强反型状态。这时，沟道就会出现夹断现象，电流将不再随着CE电压的增加而成比例地增长。这就意味着器件已经退出了饱和区，即发生了退饱和现象。

图片来源：网络
了解了退饱和现象，以及TA发生原因，这对于我们下面理解在车用逆变器应用领域的Desat保护的必要性奠定了基础。在此基础上，我们一起再聊聊Desat事件的探测方法、保护电路的工作原理，以及在实际应用中如何合理配置Desat保护参数？同时，我们还将澄清饱和区与安全工作区的区别，然后讲解下在设置保护阈值和参数时需要考虑的关键因素。

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04为什么需要Desat保护？(知识星球发布)在电力电子设备中，IGBT和MOSFET等开关器件经常处于高电压、大电流的工作环境中，...

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05

造成Desat的原因有哪些?

(知识星球发布)

造成Desat现象的原因主要有...

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06

怎么探测Desat事件呢？

(知识星球发布)

Desat事件的探测主要依赖于对IGBT或MOSFET的监测。在正常饱和状态下...

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07

Desat保护的工作原理：4步走

(知识星球发布)

这一点在上面的讲解中陆续提到过，这里我们系统性总结下，主要有以下几个步骤：...

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08Desat保护在逆变器中的应用关键(知识星球发布)在实际应用中，DESAT保护电路通常会被集成到IGBT或MOSFET的驱动芯片中。这些驱动芯片不仅提供驱动信号，还集成了多种保护功能...

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09

饱和区≠安全工作区

(知识星球发布)

下面聊聊经常出现误区的几个概念。首先，饱和区≠安全工作区。
 

在上面，我们提及了IGBT需运行在饱和区以确保正常工作。然而，并非饱和区的所有范围都适宜IGBT运作。实际上，IGBT的安全工作区域仅占其整个输出特性曲线的一小部分...

图片来源：NXP

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以上内容为功率电子系统 · 退饱和保护(DESAT)的秘密（节选）,1.0版本，全文8600字。完整解读、参考资料、技术报告在知识星球「SysPro电力电子技术」中发布，欢迎进一步查阅、学习，希望有所帮助！