退饱和保护（DESAT）原理和电路设计

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退饱和保护（DESAT）原理和电路设计

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CSDN

https://m.blog.csdn.net/qlexcel/article/details/144667539

在电力电子系统中，功率模块的短路故障是最危险的故障类型之一。短路过程中产生的大量热量不仅会烧毁功率模块，还可能损坏整个电驱系统。因此，快速准确地识别和响应短路故障，对保障系统安全运行和延长使用寿命至关重要。本文将详细介绍短路保护技术中的退饱和保护（DESAT）原理、电路设计方法及其调试技巧，帮助工程师更好地理解和应用这一关键技术。

1 短路能力评估

功率模块的短路承受能力主要从两个维度进行评估：短路时间和短路能量。

短路时间由短路检测时间和短路关断时间共同决定。短路检测需要在保证时效性的同时具备抗干扰能力，既要及时响应以避免模块损坏，又要能屏蔽开关过程中的干扰，防止误触发。短路关断时间则受具体关断方式的影响，高速关断可能导致电压过冲，因此建议采用软关断或两级关断方式。
短路能量是评估器件短路能力更准确的指标。短路时，芯片内部瞬时产生的能量无法及时散出，累积的能量才是导致器件失效的根本原因。因此，短路电流越大，短路承受时间就越短；直流母线电压越低，短路承受时间则越长。

2 驱动芯片的退饱和保护功能介绍

功率模块的短路承受时间通常在微秒级别，因此短路保护系统的响应速度至关重要。退饱和保护（DESAT）是目前业界最常用的保护方式之一，其基本原理是通过检测功率管两端电压的变化来判断是否发生短路。

2.1 退饱和电路工作原理

退饱和电路的核心是电压检测机制。正常工作时，IGBT或MOSFET的VCE（或VDS）两端电压较低，当发生短路时，该电压会异常升高。通过比较正常与异常情况下的电压差，可以判断是否发生短路。

具体实现中，需要在功率管漏极和DESAT端口之间放置一个高压二极管。正常导通时，DESAT端口的电压主要由IGBT的VCE压降、高压二极管正向压降和限流电阻（RLIM）压降组成。当短路发生时，VCE压降迅速上升，高压二极管反偏，内部电流源只能给CBLK电容充电。当CBLK两端电压超过预设阈值时，触发短路保护。

2.2 退饱和电路的关键组成和影响因素

退饱和电路的性能主要受外围电路和驱动芯片内部参数的影响。

外围电路方面：
CBLK电容的大小直接影响DESAT电压达到阈值的时间。
在DESAT管脚并联二极管用于钳位负压，但二极管的结电容会增加等效消隐电容。
驱动芯片参数方面：
DESAT pin的充电电流，如UCC21750-Q1系列固定为500uA。
DESAT阈值电压，如UCC21750-Q1为9V，UCC21755-Q1为5V。
内部数字滤波器（deglitch filter）的窗口时间，用于防止误触发，但会延长响应时间。
关断方式，如两级关断或软关断，以减小di/dt引起的电压过冲。

设计时还需注意以下几点：

高压二极管的结电容应尽量减小，以避免开关过程中的dv/dt影响。
CBLK电容通常选择33pF到330pF，不宜过低。
RLIM电阻建议在500-2kohm范围内，以降低震荡幅值。
对于可配置驱动，可通过调整滤波时间增强抗干扰能力。

消隐时间（Blank Time）

消隐时间（tBLANK）是DESAT保护中的一个重要参数，用于避免开关过程中的干扰触发保护。其计算公式如下：

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

下图是在CBLANK=270pF时实测的DESAT脚波形，消隐时间tBLANK约为5.7µs。

不同功率管的短路耐受时间不同，IGBT一般在10µs以内，SiC MOSFET则需控制在3µs以内。因此，CBLANK电容的选择需要在响应速度和抗干扰能力之间取得平衡。

3 驱动芯片的退饱和保护功能的调试

3.1 如何增加DESAT充电电流

为了在保持抗噪能力的同时缩短消隐时间，可以采用外部上拉电流源的方式。具体有两种实现方法：

上拉到输出（OUTH/OUT）：优点是电流源仅在输出为高时工作，降低功耗并避免开关过程中的误触发。但需考虑负压关断情况下的DESAT pin保护问题。
上拉到电源（VDD/VCC2）：无负压顾虑，但功耗较高，且常开电流源可能削弱关断状态下的下拉能力。

3.2 如何调整DESAT阈值电压

DESAT阈值电压应设置在正常工作电流范围之上，但需考虑路径上的RLIM电阻和高压二极管压降。对于带SPI接口的驱动芯片（如UCC5870-Q1），可通过寄存器配置阈值。对于固定阈值的芯片（如UCC21750-Q1），则需根据功率模块类型选择合适的产品，并通过RLIM电阻微调保护阈值。若需兼容IGBT和SiC MOSFET，可选用9V阈值的UCC21750-Q1，并在SiC应用中增加齐纳二极管降低实际保护阈值。