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[FAQ] UCC21750: 如何在 UCC217xx 和 ISO5x5x 中提高 DESAT 充电电流以缩短短路检测时间?

Part Number: UCC21750
Other Parts Discussed in Thread: UCC21710,

对于 SiC 驱动,我们需要缩短短路检测时间!

该值由消隐电容器的容值和内部 DESAT 充电电流固定值 (500uA) 决定

如何在不选择固定小容值消隐电容器的情况下,使用 DESAT 缩短 SC 检测时间,从而为 SiC 应用安全地设计具有 DESAT 检测功能的智能栅极驱动器?

  • 具有 DESAT 检测功能的栅极驱动器通常使用 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 检测时间,因此我们可以在发生损坏之前(在几微秒内)关闭 SiC FET。这个时间比使用 IGBT 时的时间短得多,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,需要使用容值大于 100pF 的消隐电容器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值!高功耗应用的性质意味着,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,因此不推荐选择容值非常小的电容器。

    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”),不具有此限制,因此非常适合 SiC 应用。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 引脚的器件添加另一个消隐电容器充电电流路径。

    这样,我们便可以实现更快的短路检测,有效地保护 SiC FET,而无需选择容值很小的消隐电容器,从而不必在检测时间和 SC 保护电路可靠性之间进行权衡。

    另一方面,调整 DESAT 检测阈值(E2E 常见问题解答)也可以缩短检测时间。

    本文档提供 PDF 格式,链接如下

    Increase_DESAT_Charging_Current_E2E_public.pdf

    目录

    简介

    UCC2175x ISO5x5x 通过集成式 DESAT 检测进行短路检测和保护。DESAT 系统有一个内部电流源,该电流源为外部电容器充电,从而设置“消隐”时间以防止误报。在某些情况下,设计人员可能希望提高消隐电容器的充电电流,以缩短从故障到关断的时间。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。消隐电容器的容值也可以更小,但不要太小,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 变体实现 OC-AS DESAT 类似,我们可以使用外部元件补充 UCC2175x 和 ISO5x5x 中的内部 DESAT 电流源。

    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 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(对于 ISO5x5x 和 UCC21750/59 为 9V)。 

     1:正常运行期间的 DESAT 系统

    在过流/短路事件中(如 2 所示),集电极/漏极电压将上升,HV 阻断二极管将反向偏置。充电电流现在为消隐电容器充电,在经过一段时间 tBLK 后超过内部阈值 VDESAT。在短暂的抗尖峰时间后,检测到一个 DESAT 事件,驱动器将关闭开关以防止损坏。 

     2:短路期间的 DESAT 系统

    在此标准配置中,我们可以根据所选的 CBLK 以及固定参数 ICHGVDESAT,非常简单地估算 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 和消隐电容器 CBLK 的值。如果我们需要更快的检测时间,则可以在一定程度上减小 CBLK(大约 100pF),但 CBLK 过小可能会提高误报率并降低抗噪性能,因为该电容器兼用作滤波器,通过 HV 二极管提供瞬变保护。在不提高充电电流的情况下,我们可以获得合理的 CBLK,并且仍然实现较短的 tBLK。内部电流源是固定的,因此我们必须使用外部元件来增大电流。


    如何提高 DESAT 充电电流?

    提高充电电流的最简单方法是添加电阻器,如 3 所示。电阻器的头部可置于 OUT/OUT 或 VDD/VCC2 引脚上。置于 OUTH 上的好处是,额外的电流只会在开启期间流动,这是 DESAT 检测功能激活的唯一时间,从而节省一点功耗。

    如果将电阻器置于 OUTH 上,则在关闭期间,如果使用负偏置电源,DESAT 可能会变为负值,但由于 RCHG 的作用,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。此外,还可以使用肖特基二极管 DCHG 来防止关闭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 (VDDVF) 以补偿二极管的正向压降,但实际上,进行这种补偿不会显著改变计算。

    由于 RCHG 提供的电流取决于 VBLK 的值、DESAT 引脚上的值,其电流不是恒定的,而且计算

     3:具有辅助电阻器配置的 DESAT

    我们还可以在外部实现一个恒流源,例如 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。使用恒流源时,tBLK 的估算也很简单,因为我们只需要对 ICHGICHG2 求和即可,如 (2) 所示。

     4:具有外部恒流源的 DESAT

    计算辅助电阻器配置的 tBLK

    为了避免过于冗长的“推导”,可立即跳至结果

    根据基本的电容器电流关系,我们可以使用内部电流源以及 RCHG 上的电流(随时间变化)建立一个简单的微分方程,如 (3) 所示。

    重新整理并除以 CBLK 可得到 (4),这是非常典型的 ODE 方程,如 (5) 所示,可直接求解。 

    (5) 的广义解是 (6)。因此,我们可以轻松地替换我们的已知项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 开启后进入 短路状态(也称为硬开关故障或 HSF),则初始条件 VBLK(0) 将接近 0V。如果在正常 IGBT 导通期间发生过流/过载事件(称为负载故障或 FUL),则 CBLK 上将已经存在一定的电压,因为 ICHG 会在 HV 二极管和 RLIM 上产生电压。理想情况下,发生 HSF 事件时的消隐时间将比发生 FUL 事件时的消隐时间长,因此,我们选择考虑初始条件 VBLK(0)=0V。在此初始条件下,(6) 将变为 (7)

    对于不太喜欢用笔纸计算的人,我们也可以只使用 Matlab/Octave 通过下面的脚本找到解,然后可以轻松修改该脚本,从而根据所选的电路参数和固定参数(如 DESAT 阈值)进行计算求值。

    Matlab Solution

    clear; clc; syms vblk(t) t rchg cblk vdd vdesat ichg tblk;

    ic=vblk(0)==0; %set initial condition across blanking cap

    capcurr=cblk*diff(vblk,t)==(vdd-vblk)/rchg+ichg; %C*dv/dt = I(t), and we make a formula for

    pretty(capcurr);

    eq_blk = vdesat==dsolve(capcurr, ic); %Our voltage at desat pin is solved with the initial condition we set.

    blanktime=solve(eq_blk,t);

    pretty(tblk==blanktime);

    答案:我们现在根据内部电流源和辅助电阻器,可以找到 tBLK 的公式,如 (8) 所示

    参考文献和其他资源