退饱和保护（DESAT）原理和电路设计

参考文章：
应用笔记_DESAT保护外围器件的设计.pdf

驱动芯片退饱和保护（DESAT）应用指导

前言

  在所有的故障种类中，功率模块的短路故障尤为危险。在短路过程中迅速产生的大量热会烧毁功率模块和电驱系统，因此需要被快速识别并响应，在功率模块的SOA (Safe Operating Area) 内及时进行保护对电驱系统的运行安全与寿命就显得格外重要。
  本文主要介绍了短路保护类型和隔离栅极驱动芯片退饱和保护 (DESAT)的功能，并针对具体的应用需求和芯片方案提供了调试建议。

1 短路能力评估

  功率模块的短路承受能力的评估分为短路时间评估和短路能量评估两大类。
  短路时间由短路检测时间与短路关断时间共同构成，如下图1所示。
短路检测需要兼顾时效性与抗扰性能， 要求系统能够及时响应，避免功率模块损坏。同时能够屏蔽开关过程的干扰，避免误触发。短路检测时间受短路保护阈值、前沿消隐时间、滤波时间、电容大小等多重因素影响，通常其设计需要在时效性与抗扰性上取平衡。而短路关断时间受具体关断方式的影响。因为短路故障发生的时候电流等级是非常高的，如果突然关断输出，则di/dt会造成很大的电压过冲，可能导致功率级的损坏，所以建议采用具有软关断或者两级关断方式的驱动芯片，在短路时间和能量满足要求的条件下，降低电压过冲对功率模块的损伤。

事实上，短路时间并不是最合适衡量器件短路能力的指标，通常只用作参考。在短路时芯片内瞬时产生大量能量无法散出，累计的能量才是器件失效的根本原因。而评估短路能量则需要对电流和电压进行积分计算。
因而短路电流越大，短路承受的时间就越短；直流母线电压越低，短路承受的时间就越长。

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一般是微秒级别的，因此过流条件下的采样带宽或响应时间就尤为关键。系统的短路保护设计需要能够在短路情况出现时迅速响应。短路检测也需要在开通后有一段消隐时间，以避免开关过程中的干扰造成误触发。
短路保护的方式可分为检测短路电流和检测压降两大类。检测电流的方式常见为通过senseFET或通过shunt电阻方式，而电压检测为退饱和保护。鉴于大部分功率模块并不具备集成的senseFET，外加shunt电阻会增加系统成本，因而退饱和保护为业界更常见的保护方式。
下面我们主要介绍的是退饱和保护的设计注意事项，并对短路保护的时效性和抗干扰能力进行评估。

2.1 退饱和电路工作原理

退饱和电路的基本原理是电压检测。短路时，器件漏源两端的压降会异常升高。因而比较功率管两端正常与异常情况下的电压即可作为短路或过流的判断。

对MOSFET或IGBT来说，关断状态下其两端通常要承受很高的电压，因而无法直接对功率管两端的电压进行采样，所以首先要在漏极和DESAT端口放置一个高压二极管。
让我们以IGBT为例，在正常导通时候，其VCE两端的电压可能为2V. 芯片内部的上拉电流源𝐼𝐶𝐻𝐺电流从DESAT端口流出，通过𝑅𝐿𝐼𝑀和𝐷𝐻𝑉流到IGBT。
此时𝐶𝐵𝐿𝐾即DESAT端口两端压降约为IGBT VCE压降 + 高压二极管正向导通压降 + 𝑅𝐿𝐼𝑀两端压降。

当短路情况发生时，VCE两端的压降会迅速上升，这时高压二极管会发生反偏，内部电流源电流只有一条流向即给𝐶𝐵𝐿𝐾电容充电，当𝐶𝐵𝐿𝐾电容两端压降即DESAT电压超过了阈值电压，便会触发短路保护。

2.2 退饱和电路的关键组成和影响因素

下面我们将对驱动芯片外围电路和内部参数两方面来介绍退饱和电路的关键组成和影响因素。

从外围电路的角度来看，
1、对短路检测时间影响最大的因素就是𝐶𝐵𝐿𝐾电容，给这个电容充电的时间直接决定了DESAT电压到达阈值的时间。

2、用户常通过给DESAT 管脚并联二极管的方式钳位功率级引起的负压，二极管的结电容也会增加等效的消隐电容容值。

从驱动芯片的参数角度，以下几个参数对短路承受时间影响较大：
1、DESAT pin的充电电流，在UCC21750-Q14及系列产品中，这一电流是固定的500uA。在驱动芯片输入悬空或低时，DESAT pin通过内部的下拉电流源拉低以避免误触发。在驱动信号输入电平为高时，经过前沿消隐时间后，DESAT充电电流源才会启动，给外部电容充电。更大的充电电流可以快速将电容充置阈值电压，提升短路检测时间。
2、DESAT阈值，UCC21750-Q1及系列产品中这一阈值为固定值，UCC21750-Q1和UCC21759-Q17为9V， UCC21755-Q18和UCC21756-Q19为5V。
3、为了避免被系统中的干扰源误触发，DESAT内部也会设计deglitch filter数字滤波器，只有当DESAT电压高于阈值的时间超过这个滤波窗口时间，才会触发退饱和保护。使用较长的窗口时间可以有效避免被系统的干扰误触发保护，但也会响应增加短路检测时间和短路能量。
4、另外一部分对整体短路承受时间与短路能量影响比较大的就是关断方式，常见有两级关断和软关断两种不同的方式。采用这样减缓关断的方式是为了尽量减小过大的di/dt造成的电压过冲。电压过冲受环路和功率模块的寄生电感关系比较大，如果寄生电感可以适当减小，则关断速度也可以加快。

除了满足功率模块短路承受时间或能量要求外，设计时也需注意兼顾DESAT误触发的风险：
1、首先应尽量减小高压二极管的结电容。因为DESAT电路采样的是功率管漏源级的电压，而在开关过程中这一电压产生的dv/dt会通过高压二极管的结电容以位移电流的方式给𝐶𝐵𝐿𝐾充放电。正向的dv/dt会给DESAT 灌电流，而负向的dv/dt会从DESAT拉电流。因此，高压二极管的选型需要格外注意其结电容参数，也可以采用两个高压二极管串联的方式减少等效的寄生电容。
2、𝐶𝐵𝐿𝐾电容常见选型值为33pF-330pF, 注意不宜过低，否则也容易因高压二极管结电容耦合的位移电流而误动作，这一影响对使用SiC MOSFET的系统来说尤其明显。
3、𝑅𝐿𝐼𝑀电阻建议设计为500-2kohm的范围，可以有效降低震荡的幅值。𝑅𝐿𝐼𝑀与𝐶𝐵𝐿𝐾共同构成一个滤波电路，降低功率级耦合的瞬态干扰。
4、对于有SPI接口的可配置驱动来说，也可以通过选择更长的deglitch filter滤波时间增加对系统干扰的屏蔽。

消隐时间（Blank Time）

消隐时间tBLANK可以由以下公式得到

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。

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

不同功率管的短路耐受时间是不同的。一般来说，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。

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。

对没有SPI接口的驱动芯片来说，固定的DESAT参数适配不同的功率模块选型通常有些困难，因而需要根据功率模块参数和实际测试结果灵活调整。
首先，如果短路响应时间 （或短路保护能量）不能满足要求，又担心降低𝐶𝐵𝐿𝐾之后误触发的风险，可采用外部上拉电流源的方式，增加给𝐶𝐵𝐿𝐾的充电电流 。
外部上拉电流源通常有两条可行的路径，分别为上拉到二次侧电源VDD/VCC2或上拉到输出OUTH/OUT，两种方式各有优劣。

上拉到输出的好处是这个外置电流源只在输出为高的时候启动，一方面可以降低这部分电阻上额外产生的功率损耗，另一方面避免了消隐时间内开关过程还没结束𝐶𝐵𝐿𝐾被充电的情况，降低了开关过程中误触发的风险。但如果系统使用的是负压关断而非0V关断，则需要考虑DESAT pin的负压承受能力问题，或增加钳位管对DESAT pin进行保护。

另一种增加外置电流源的方式是上拉到VDD/VCC2，这种方式不会有负压方面的顾虑，但是功耗相比前一种更大一些。此外这种电流源为常开电流源，与输入输出状态无关。因而在增加等效的DESAT充电电流的同时，也削弱了关断状态和消隐时间内下拉电流源的能力。工程师需根据实测结果评估是否有误触发的风险。

3.2 如何调整DESAT阈值电压

系统设计时会确定需要触发DESAT保护的阈值电压，应高于正常工作电流范围下的电压阈值。
需注意DESAT电压并不等于𝑉𝐷𝑆（𝑉𝐶𝐸）两端的电压，同样也需要考虑路径上的𝑅𝐿𝐼𝑀电阻和高压二极管的压降。
TI带SPI 接口的功能安全驱动UCC5870-Q1可以使用寄存器配置合适的DESAT阈值电压。而对于不带SPI接口的驱动UCC217XX-Q1系列来说，则需要根据功率模块的类型进行选择，如驱动IGBT模块选择9V DESAT电压版本的UCC21750-Q1或UCC21759-Q1，驱动SiC MOSFET模块选择5V DESAT阈值的UCC21755Q1或UCC21756-Q1, 然后通过调节𝑅𝐿𝐼𝑀电阻的方式对实际的保护阈值进行微调。如果希望能够使用相同的IC 选型兼容IGBT与SiC MOSFET模块，可以考虑选用9V 阈值的UCC21750-Q1系列，通过在选择SiC MOSFET的应用中增加齐纳二极管降低实际的保护阈值。需注意考虑齐纳管的压降时应带入DESAT 充电电流𝐼𝐶𝐻𝐺条件下的压降。

这里的𝑉𝐷𝐸𝑆𝐴𝑇 对UCC5870-Q1, UCC5880-Q1系列来说为可配阈值电压，对UCC21750-Q1或UCC21755 Q1来说为芯片固定的9V 或5V. 而𝑉𝐶𝐸(𝐷𝐸𝑆𝐴𝑇)为实际功率模块测DESAT保护时的𝑉𝐶𝐸电压。

3.3 如何使用OC功能搭建退饱和电路

对于只有OC pin的 UCC21710-Q110，UCC21732-Q111等芯片来说，同样可以通过外围电路的调整实现DESAT保护的功能。
OC保护本意为通过测量shunt电阻两端的压降来反推此时通过功率模块的电流大小。
考虑到shunt上产生的功耗问题，其保护阈值通常比较小，如对UCC21710-Q1来说其保护阈值为0.7V。可以通过如下图R2和R3的外部分压电阻将这一阈值电压匹配到需要保护时的𝑉𝐷𝑆（𝑉𝐶𝐸）两端的电压，并采用类似DESAT的外围电路，增加𝐷𝐻𝑉的方式隔离关断状态下的高压，使用R1上拉到VDD或OUT创造充电电流源，给OC pin外加的𝐶𝐵𝐿𝐾充电。

使用上图接法后等效的DESAT保护阈值和相应时间计算方式如下, 也可使用TI提供给的计算工具进行评估。

TI 的SPI型功能安全芯片同样也有OCP功能，工程师也可以采用上述的方法将OC保护配置为DESAT进行功率模块的短路保护。