具有 DESAT 检测功能的栅极驱动器通常通过 IGBT 进行短路检测。 使用集成 DESAT 的栅极驱动器进行设计时的一个限制是、通常很难实现足够短的 SC 检测、因此我们可以在发生损坏之前(在几微秒内)关闭 SiC FET。 这比 IGBT 短得多、IGBT 通常具有10us 的短路耐受时间)

为 SiC FET 定制 DESAT 检测的一个关键挑战是、需要使用大于100pF 的消隐电容值来提供强大的防误报保护并保持可靠的检测。

在具有 DESAT 引脚(500uA)的器件中、为消隐电容器充电(从而设置消隐时间)的内部充电电流是固定的、因此我们控制消隐时间的主要方法通常是更改电容器值！ 高功率应用的性质意味着瞬态可能会通过 DESAT 电路中的 HV 阻断二极管耦合、并导致误报检测、因此选择一个非常小的电容器是一个问题。

 这是具有 DESAT 引脚的器件(UCC21710、UCC21750/59和 ISO5x5x 系列)面临的挑战。 具有 OC 引脚的器件可配置为 OC-for DESAT、有时称为"伪 DESAT "、但不存在此限制、因此非常适合 SiC。 OC-DESAT 允许设计人员任意设置 DESAT 检测阈值和 TD

但是、通过简单地修改典型电路、我们还可以为具有 DESAT 引脚的器件添加一条消隐电容器充电电流的第二条路径。

这样、我们就可以 更快地进行短路检测、从而有效地保护 SiC FET、而无需选择容值极小的消隐电容器、从而消除了检测时间和 SC 保护电路可靠性之间的折衷。

设计的另一个重要方面是 调整 DESAT 检测阈值(E2E 常见问题解答) 以实现更早的检测。

简介

UCC2175x 和 ISO5x5x 通过集成 DESAT 检测功能检测短路并提供保护。 DESAT 系统具有内部电流源、可为外部电容器充电、从而设置"消隐"时间以防止误报。 在某些情况  下、设计人员可能希望增加消隐的充电电流、以缩短故障至关断的时间。 这在驱动 SiC 时至关重要、因为它们的额定短路耐受时间比 IGBT 短得多。 消隐电容器也可以更小、但我们不希望它太小、因为消隐电容器有助于抑制 DESAT 引脚上的噪声。

与 使用带有 OC 引脚的 UCC217xx 型号实现 OC-AS DESAT 类似、我们可以使用外部组件对 UCC2175x 和 ISO5x5x 中的内部 DESAT 电流源进行补充。

DESAT 检测的工作原理是什么？

有关短路检测方法的更多详细信息、请参阅我们的电子书 《IGBT 和 SiC 栅极驱动器基础知识》。

在正常运行期间、内部电流源  ICHG 通过串联电阻器和 HV 阻断二极管流向集电极、 如图 1所示、其中  VBLK  是消隐电容器  CBLK 上的电压 和 DESAT 引脚上的电压。 因此、该电压低于内部 DESAT 检测阈 值 VDESAT  (ISO5x5x 和 UCC21750/59为9V)。  

 在过流/短路事件中、如图 2所示、集电极/漏极电压上升和 HV 阻断二极管反向偏置。 充电电流现在为消隐电容器充电，经过一段 时间 tBLK 之后，该电容器超过内部阈值  VDESAT 。 在短时抗尖峰脉冲时间后、检测到 DESAT 事件、驱动器将关断开关以防止损坏。  

在的这个标准配置中，我们可以  很简单地根据我们选择 的 CBLK  以及固定参数  ICHG  和  VDESAT 来估算 tBLK，如 (1)所示。

我们可以看到、从故障到关断的时间取决于充电电流  ICHG  和消隐电容  CBLK 的值。 如果我们需要更短的检测时间、我们可以在  一定程度上降低 CBLK (大约100pF)、但如果  CBLK  过小、可能会增加误报率并降低抗噪性能、因为该电容器充当滤波器、通过 HV 二极管应对瞬变。 通过增加充电电流、我们可以得到合理 的 CBLK 、并且仍然具有较短 的 tBLK。 在内部、此电流源是固定的、因此我们必须使用外部组件增大此电流。

如何增加 DESAT 充电电流？

增加充电电流的最简单方法是连接电阻器、如 图所示  这个电阻器的头部可被放置在 OUTH/OUT 或者 VDD/VCC2引脚上。 放置在 OUTH 上的好处是、额外的电流只会在开启期间流动、这是 DESAT 检测激活的唯一时间、从而节省了一点点功耗。

如果将电阻器放置在 OUTH 上、则如果使用负偏置电源、DESAT 在关断期间可能会变为负值、但由于  RCHG 的值、 这不是问题、而且肖特基和齐纳二极管通常位于 DESAT 引脚和 COM 之间。 或者  、也可以使用肖特基二极管 DCHG 来防止关断期间的电流反向流动。 如果使用该二极管、  则应将以下公式中的 VDD 替换为 (VDD−VF) 以补偿二极管的正向压降、但实际上、考虑这一点不会显著改变计算。

由于  RCHG 提供的电流 取决于  VBLK 的值、DESAT 引脚上的值、因此其电流不是恒定的、也不是计算结果

图 3：具有辅助电阻器配置的 DESAT

我们还可以在外部实现恒定电流源、例如 图 4中所示的基于 PNP 的电路、但这会增加成本、复杂性和 PCB 面积。   使用恒流源对 tBLK 进行估算也很简单、因为我们只需将  ICHG 和   ICHG2相加、如 (2)所示。

计算  辅助 电阻器配置

根据基本的电容-电流关系、我们可以使用  内部电流源以及 RCHG 上的电流(  随时间变化)、设置一个简单的差分方程、如(3)所示。

 (5)的广义解决 方案是 (6)。 因此、我们可以轻松地替换我们的 knowns 并找到完整的表达式、其中  C1 基于我们的初始条件。  

初始条件实际上取决于短路事件的类型。 如果 IGBT/FET 导通 至 短路(也称为 硬开关故障或 HSF)、则初始条件  VBLK (0) 将接近0V。 相反、如果在正常 IGBT 导通期间发生过流/过载事件(称为欠载故障或 FUL)、 则 CBLK 上已经存在一定的电压    、因为 ICHG 会使 HV 二极管和 RLIM 上的电压下降。 理想情况下、HSF 事件下的消隐时间将长于 FUL 条件下的消隐时间、因此我们选择考虑初始条件  VBLK (0)=0V。 在此初始条件下 、(6) 变为 (7)。

对于不太喜欢铅笔和纸张的人、我们也可以使用 Matlab /Octave  通过下面的脚本查找解决方案、然后可以轻松修改该脚本、以便根据所选的电路参数和固定参数(如 DESAT 阈值)进行评估。

参考资料和其他资源

• IGBT 和 SiC 栅极驱动器基础知识(短路部分)
•    《IGBT  短路 行为 和 故障 保护方案的讨论》(1995年论文)
• [E2E 常见问题解答]调整 DESAT 阈值