DESAT Protection — 栅极驱动器集成的去饱和检测

IGBT 在饱和区 VCE(sat) 跟 collector 电流近似线性(线性度差但单调),典型 1.5-2.5 V @ rated I。短路时 IGBT 跨出饱和区(电流超过 SCSOA 上限 ~5-10× Inom)→ VCE 跳到几十 V 甚至接近 DC bus。VCE 这一个信号就能区分"正常导通"和"短路"。

电流传感器路径:慢(shunt + isolated amp ~5-10 μs 带宽)+ 贵(隔离器件)+ 远(从 PCB 引线回 MCU)。DESAT 路径:1-2 μs 响应(blanking + 比较)+ 集成在 driver IC(无外加 PCB)+ 直接关 IGBT(不绕 MCU 决策)。是 ASIL D 项目里 IGBT 一级保护的事实标准。

mechanism_desat 在 topic-engineering-copilot 对象图里是 mechanism 类:detects failure_mode_sc_type_1/2/3,implemented_by component_iso5852s_gate_driver,sensitive_to failure_mode_miller_induced_turn_on。

物理上分 4 步:

1. 采样:DESAT pin 通过高压二极管串(2-3 颗 1200V 快恢复)接到 IGBT collector。导通时,driver 把 DESAT pin 拉到 IGBT VCE + diode 正向压降(~3 V 时 IGBT 饱和)。
2. 充电:DESAT pin 有内部 ~0.5 mA 拉高电流(典型 ISO5852S)。如果 IGBT 在饱和,VCE 钳位 + diode 钳位 = DESAT pin 被外部钳到低位,内部电流灌不进。
3. 判定:如果 IGBT 进去饱和区,collector VCE 升到几十 V → DESAT pin 不再被钳低 → 拉高电流给内部 cap 充电 → 几 μs 后达到比较器阈值(典型 9 V)。
4. 触发:比较器跳变 → 启动软关断 + 拉低 fault 引脚 + 通过隔离反馈给 MCU。

DESAT 的工程实现就是 4 个参数对 SCSOA 的预算分配——任一选错都让保护链失效。4 个参数互相约束,典型 driver 给出的 default 值已经平衡好,要改必算回 SCSOA 余量:

DESAT pin 到 IGBT collector 之间必须有高压二极管串隔离,否则 turn-off 瞬间 DC bus 全压会经 DESAT 反灌进 driver。要求:

• BV:每颗 ≥ 1200 V(800 V 系统典型),串 2 颗冗余覆盖。
• trr:< 50 ns。如果 trr 太慢,VCE 上升时 diode 还在反向恢复,DESAT 误判延迟。常用 STTH112 / STTH1L12。
• IF:1 A 足够(导通态电流 ~5-10 mA,余量充足)。

二极管寄生 cap 不可忽视 — 太大会延迟 DESAT 响应。datasheet 给的 ~5 pF 是上限。

DESAT 触发后不能用正常 turn-off 速度关 IGBT — 此时 collector 电流已是额定数倍,正常 Rg(5-10 Ω)的 di/dt 会让寄生电感 L·di/dt 产生 kV 级电压尖峰击穿器件。软关断 = 把 Rg 拉到 50-100 Ω,关断时间从 100 ns 拉到 1-2 μs,牺牲损耗换电压尖峰。

mitigation_soft_turn_off 对象图把这条链接得很清楚:depends_on mechanism_desat,implemented_by component_iso5852s_gate_driver,mitigates failure_mode_sc_type_1/2/3。VCE overshoot 控制目标:< 1.2 × BVCES。

DESAT 看起来简单,实际工程上有 5 类典型陷阱,实战项目反复踩:

• ❌ Blanking 太短(< 1 μs)→ Miller 平台 dV/dt 触发 false DESAT,系统反复 reset。
• ❌ Blanking 太长(> 5 μs)→ 实际短路时 IGBT 已超 SCSOA 才触发,炸管。
• ❌ 检测二极管 trr 慢(> 100 ns)→ VCE 还没稳就判,误判方向。
• ❌ SiC 沿用 Si 的 9 V 阈值→ SiC VDS(on) 本来就低,误触发。SiC 用 5-7 V 阈值;blanking 反而要更短(SiC SCSOA 仅 1-3 μs,预算更紧,200-500 ns),不是更长。
• ❌ DESAT fault 只接 MCU,不直关 IGBT→ MCU 卡死或处理慢就来不及。必须 hardware path:DESAT 直接走软关断 + fault 报 MCU 是双通道。

DESAT 是 Phase 1 闭环里关系最多的对象之一,跨 4 个邻居:

• failure_mode_sc_type_1/2/3 — DESAT detects 它们
• component_iso5852s_gate_driver — DESAT 在它上 implemented
• component_high_voltage_diode_chain — DESAT requires 它
• mitigation_soft_turn_off — 接力 DESAT 完成反应
• diagnostic_vce_monitoring — DESAT 的信号源,verifies it 周期 OK

跑 python3 scripts/copilot/query.py related mechanism_desat 看完整 1-hop 关系。

• case · case_smps_short_protection — SMPS Short-Circuit Protection Chain
• mechanism · mechanism_desat — DESAT Protection