DESAT Protection — 栅极驱动器集成的去饱和检测

短路保护的第一性问题是速度:功率器件的短路耐受时间(SCSOA)是硬墙,SiC 模块只有约 2 µs、IGBT 约 10 µs,超时器件热击穿。所以保护链的每一环都在和 SCSOA 抢时间,这决定了传感方式的选择。

IGBT/SiC 在饱和区(正常导通)时,Vce/Vds 被沟道钳在 VDS(on)——SiC 约 2 V、IGBT VCE(sat) 约 1.5–2.5 V,且随电流单调上升(线性度差但单调)。短路时电流超过饱和电流上限、器件跨出饱和区,Vce/Vds 在几百 ns 内从 2 V 跳到几十 V 乃至逼近母线 VBUS。一个 Vds 信号就把"正常导通"和"短路"分开了,而且判据裕度极大(2 V vs 800 V),不需要精密测量,只要够快。

电流传感路径慢、贵、远:shunt + 隔离放大器带宽约 5–10 µs、要隔离器件、还要把信号从 PCB 引回 MCU 决策。DESAT 路径快、集成、就地:约 1 µs 量级响应、集成在 driver IC 内、比较器输出直接触发软关断而不绕 MCU。对 SCSOA 仅 2 µs 的 SiC,这个约 5 倍的速度差是能不能保住器件的分界——这就是 DESAT 成为 ASIL D 主驱一级保护事实标准的原因。

DESAT 的全部定量设计都落在 driver 内那个恒流源给外部消隐电容 Cblank 充电的一阶 RC-like 过程上。理解这个电荷平衡,blanking 时间、假触发免疫、SCSOA 预算就都串起来了。

DESAT 引脚接三样东西:driver 内一个恒流源 Ichg(典型 500 µA,TI UCC21750 电气表 ICHG=500 µA typ / 430 µA min,SLUSD78C;Infineon 1ED family 同为 500 µA),外部消隐电容 Cblank,以及经高压二极管串接到功率管 collector/drain。恒流源只在驱动 ON 期激活(SLUSD78C §8.3.7:"internal current source ... activated only during the driver ON state")。分三态看引脚电压 Vdesat:

• 正常导通:功率管在饱和区,Vds = VDS(on) ≈ 2 V;高压二极管正偏导通,把引脚钳位在 Vdesat = VDS(on) + Vf(diode) ≈ 3–4 V。恒流源的电荷被二极管旁路灌走,Vdesat 上不去,比较器不触发。
• 开通暂态(blanking 窗内):刚给栅极充电时 Vds 还没跌到 VDS(on),二极管此刻反偏,恒流源开始给 Cblank 充电,Vdesat 从 0 线性爬。必须在 Vdesat 爬到 Vth 之前让正常导通把二极管拉回正偏——这段"容忍 Vds 还高"的时间就是 blanking。注意充电起点随芯片实现而异:经典实现(HCPL-316J 式)开通即充电,消隐全由 Cblank 决定;UCC21750 类则先走 200 ns 数字 LEB(此期间恒流源未激活、DESAT 被内部下拉钳低),LEB 结束才开始充电(SLUSD78C §8.3.7 原文 "activated ... after the internal leading edge blanking time"),故其总消隐 = tLEB + Cblank·Vth/Ichg,两段相加(§3 与 §6 worked design 用的正是此式)。
• 短路(desaturation):Vds 跳到几十 V,二极管反偏,恒流源持续给 Cblank 充电,Vdesat 线性升到 Vth → 比较器翻转 → 触发。

恒流充电 Vdesat(t) = Ichg·t / Cblank,令其达到阈值 Vth,解出消隐时间(Infineon KBA236920 记为 "filter time = VDESATth·CDESAT/ICHG"——ICHG 在分母,与本页 tblank=Cblank·Vth/Ichg 同式;TI SLUSD78C §7.5 同一物理):

假设与失效边界:① 该式假设 Cblank 从 0 恒流线性充到 Vth,忽略引脚寄生电容与二极管结电容——实件里二极管结电容(约 5 pF)与 Cblank 并联,会略微拖慢,Cblank 越小误差越大(几 pF 时不可忽略,取 Cblank ≥ 20 pF 让寄生占比小于 25%)。② 恒流源有 min/max 分布(430–500 µA),Vth 也有(TI:8.5–9.8 V,typ 9.15 V),故 tblank 有约 ±20% 制造离散,设计要按最坏角核 SCSOA(见 §6)。③ 某些 driver(TI UCC21750)在恒流充电之前还叠一段内部固定前沿消隐 tLEB(200 ns),真正 blanking = tLEB + Cblank·Vth/Ichg,别漏算这 200 ns。

DESAT 设计的核心矛盾一句话:blanking 要够长以躲开通暂态、又要够短以在 SCSOA 内留出检测+软关断的时间。把整条链摊在 SCSOA 时间轴上就看清了。

从短路发生(t=0)到功率管电流被压下,链路是四段串联:

其中 tblank = tLEB + Cblank·Vth/Ichg 是消隐(检测何时能开始);tprop 是比较器 deglitch + 传播到栅极的延迟(TI tDESATOFF,DESAT→OUT 低 90%,约 200–300 ns);tSTO 是软关断把栅极拉到平台/关断的时间(由栅荷 QG 与软关断电流 ISTO 定,见 §5)。tdetect 就是"检测时延",本页 worked design 的收口指标是 SCSOA 2 µs 下 tdetect ≤ 1.5 µs。

两类短路把预算的"起算点"分开(这是易错点):

• Type I(开通即短路):负载在开通前已短路,Vds 从 t=0 一直是高位,恒流源过了 tLEB 就一路充 Cblank。预算从开通瞬间起算,时间最充裕。
• Type II(导通中突然短路):器件已稳态导通(Vds=2 V、二极管正偏钳低),短路瞬间 Vds 才开始升、二极管才反偏、Cblank 才从被钳的低位开始充。预算从短路发生起算,且 Cblank 起点电位更高(离 Vth 更近),反而检测更快——但故障能量在短路前已注入,是更严苛的验证场景,DV 必须单独测。

SiC 比 IGBT 紧 5 倍:同样一套链,IGBT SCSOA 10 µs 时 tblank 用 2–4 µs、Cblank 用 100–470 pF 都从容;SiC SCSOA 2 µs 时,光 100 pF 的 Cblank 就吃掉 tblank = 100 pF·9 V/500 µA = 1.8 µs,加 tLEB 200 ns 已 2.0 µs,blanking 一项就撑满整个 SCSOA,检测和软关断无处安放。所以 SiC 主驱的 Cblank 必须压到几十 pF 量级——这不是选型偏好,是 SCSOA 预算算出来的硬边界。

Vth 是 driver IC 内部固定基准(不可外调),选型在选 IC 时就锁定,决策依据是"正常导通钳位电压"与"SCSOA 触发及时性"两头夹出来的窗口。

三档主流阈值,取舍是假触发 vs 漏报/迟报:

假触发免疫的定量条件:正常导通时 DESAT 引脚被钳在 Vdesat(on) = VDS(on),max + Vf(diode),必须远低于 Vth 才不误报。SiC 模块 VDS(on) 在最坏角(热态 RDS(on) 约 1.5× 冷态 + 峰值电流)也就几伏,加一颗二极管 Vf 约 1.5 V,通常 4–6 V,对 9 V 阈值留 3–5 V 裕度——这也解释了为什么二极管串不宜多颗:每加一颗 Vf 抬高钳位电位、吃掉假触发裕度(串多颗只为耐压时须权衡)。

温漂:Vth 由带隙基准给出,典型 -2 mV/K 量级。TI UCC21750 实测 Vth 随温度略降(高温更易触发,对 SCSOA 有利);低温冷启动 Vth 略升,大电流冷启动要在 DV 里验 -40 °C 边界不误报。

DESAT 触发时短路电流已达额定数倍,绝不能用正常速度硬关:大电流 × 高 di/dt 会在换流回路杂散电感 Ls 上激起 ΔV=Ls·di/dt 的过压尖峰击穿器件(这是过压击穿,不是二次击穿)。软关断(soft turn-off / TLTO)的本质是用受控的小栅极电流把 di/dt 压下来,牺牲关断损耗换过压余量。

定量:短路电流 Isc 硬关(下降时间 tfall 约 50 ns)与软关(tfall 约 500 ns)对比,取 Ls ≈ 20 nH:

软关断时长由栅荷与软关断电流定:$tSTO\approx QG/ISTO$。TI UCC21750 的软关断电流 ISTO = 400 mA typ(SLUSD78C 电气表,250–570 mA;datasheet 首页 "400-mA soft turn-off")——刻意做小,就是为了拉长 tfall、压 ΔV。软关断完成后再切到强下拉 + 负压钳位(抑制 Miller 误开通),并把 FAULT 上报 MCU 走系统级安全状态。Vds 过冲控制目标:< 1.2 × 器件额定电压。

用真器件走一遍:driver 选 TI UCC21750-Q1(隔离 SiC/IGBT 单通道驱动,集成 DESAT + 软关断),功率级选 Wolfspeed CAB011M12FM3(1200 V / 11 mΩ 半桥 SiC 模块,ID(cont) ≈ 120 A、QG = 324 nC、QGD = 100 nC),母线 VBUS = 800 V。设计假设该模块 800 V 母线短路耐受 tSCSOA = 2 µs(1200 V SiC 典型量级)。收口指标:tdetect ≤ 1.5 µs 且 tclear ≤ 2 µs,并有假触发免疫。

driver 锚定参数(SLUSD78C 电气表):Vth = 9.15 V typ(8.5–9.8 V)、Ichg = 500 µA typ(430 µA min)、内部 tLEB = 200 ns、tprop(tDESATOFF,DESAT→OUT 低 90%)约 200–300 ns、ISTO = 400 mA typ。

第 1 步 阈值与假触发核:Vth = 9 V 固定。核正常态钳位:模块 RDS(on) 热态约 1.5×11 mΩ ≈ 16.5 mΩ,取最坏正常峰值电流 150 A(逆变器峰值相流),VDS(on) = 150 × 16.5 mΩ ≈ 2.5 V;加一颗 1700 V 高压二极管 Vf ≈ 1.5 V,Vdesat(on) ≈ 4.0 V。对 9 V 阈值裕度 5 V,稳态/过载不会假触发——真短路 desat 到 800 V,判据裕度压倒性,所以假触发只可能来自开通暂态(交给 blanking),不来自电流大小。

第 2 步 blanking 与 Cblank:目标 tblank 要盖住开通暂态(SiC Vds 下降约 100–200 ns + 高压二极管反向恢复 + 栅极 Miller 平台 + 振铃,合计约 300–400 ns),取约 2× 余量。选 Cblank = 33 pF:

794 ns 对 300–400 ns 的开通暂态有约 2× 免疫,假触发免疫达标。对照 100 pF(IGBT 常用)在此为 tblank = 200 + 1800 = 2.0 µs = 撑满整个 SCSOA,SiC 绝不能用——这就是 §3 说的硬边界。

第 3 步 检测时延核:tdetect = tblank + tprop = 794 ns + 300 ns = 1.09 µs ≤ 1.5 µs ✓(余量 410 ns)。若要更强开通免疫可升 Cblank 到 47 pF(tblank ≈ 1.05 µs、tdetect ≈ 1.35 µs,仍 ≤ 1.5 µs);若 SCSOA 更紧张则降到 22 pF(tblank ≈ 596 ns、tdetect ≈ 0.9 µs)。三点都过 1.5 µs 门,说明 22–47 pF 是 SiC 的可行窗——Cblank 的选择就是在这窗内平衡开通免疫与 SCSOA 余量。

第 4 步 软关断与总清除核:软关断时长取保守上界 $tSTO\lesssim QG/ISTO=324\text{nC}/400\text{mA}=810\text{ns}$——QG 是 0→VGS(on) 全程栅荷,而短路关断时 Vds 已在高位、Miller 电荷基本不再参与,实际抽取电荷 < QG,典型 tSTO ≈ 300–500 ns(与 §5 软关 tfall ≈ 500 ns 一致)。预算按上界算:tclear = tdetect + tSTO = 1.09 + 0.81 = 1.90 µs ≤ 2 µs ✓,最坏余量 100 ns、典型余量 400–600 ns——SiC 主驱典型的紧。若嫌薄:把 Cblank 降到 22 pF(tclear ≈ 1.71 µs、余量 290 ns),代价是开通免疫从 2× 降到约 1.5×,是真实的取舍点。

第 5 步 软关断过压核:短路电流估 Isc ≈ 6 × 120 A ≈ 720 A(SiC 沟道在 VGS=15 V 的饱和电流量级)。硬关(tfall 50 ns):di/dt = 720/50 ns = 14.4 kA/µs,ΔV = 20 nH × 14.4 kA/µs = 288 V → Vds 峰 ≈ 1088 V,叠加振铃逼近 1200 V 额定,危险。软关(ISTO=400 mA,tfall ≈ 500 ns):di/dt = 720/500 ns = 1.44 kA/µs,ΔV = 20 nH × 1.44 kA/µs = 29 V → Vds 峰 ≈ 829 V < 1.2×VBUS,安全。这就是软关断存在的定量理由。

第 6 步 高压二极管串:选反向耐压 ≥ 1.5×VBUS 的快恢复管——800 V 母线取 1700 V 级、trr < 50 ns(SiC dV/dt 高,慢恢复管在 Vds 上升时还没恢复会误判方向)、结电容小(约 5 pF,过大拖慢 Cblank 充电)。导通态电流仅约 Ichg=500 µA,IF 额定 1 A 余量充足。单颗即可满足耐压(1700 V > 1.5×800 V),优先单颗——多颗只徒增 Vf 吃假触发裕度(§4)。

worked design 给的是标称点;投产要守住工作空间边界,这几条是"SCSOA 预算有没有真算进去"的分水岭。

• 制造离散的最坏角:Ichg 430–500 µA、Vth 8.5–9.8 V 各有分布。tblank = tLEB + Cblank·Vth/Ichg 在 Vth 最大 + Ichg 最小角最长(tblank 变大、更逼近 SCSOA),SCSOA 余量核必须用这个角,不能用 typ 值蒙混。33 pF 在最坏角:tblank = 200 + 33 pF×9.8/430 µA ≈ 200 + 752 = 952 ns,tdetect ≈ 1.25 µs,仍 ≤ 1.5 µs,但余量从 410 ns 缩到 250 ns。
• SCSOA 随温度/母线收缩:SiC SCSOA 在高结温、高母线电压下变短(热积累更快)。若某模块 175 °C / 900 V 下 SCSOA 掉到 1.2 µs,上面 1.9 µs 的 tclear 直接超线 → 唯一解是缩 Cblank + 缩 tSTO(代价:开通免疫 + 过压余量双降),或换 SCSOA 更宽的模块,或上系统级 ASC(主动短路)。
• Type II 检测更快但能量更狠:Type II 起点电位高、检测反而快,但短路能量在触发前已注入器件,DV 必须单独验"稳态 + 突变"波形,不能只测 Type I。
• 高压二极管反向恢复:trr 慢(> 100 ns)会在 Vds 快速上升时假掉一次判据,是 SiC 高 dV/dt 下的隐形陷阱,必须选超快恢复。
• 恒流源只在 ON 态激活:关断期 DESAT 引脚被内部下拉,这是特性不是 bug——意味着 DESAT 只保护导通期短路,关断期靠别的机制。

前面的公式都成立,但真实项目翻车常不在公式而在这几处"看着对、实则咬人"的地方,逐条对照。

• Cblank 太长吃穿 SCSOA:SiC 沿用 IGBT 的 100–470 pF → tblank 1.8–8 µs > SCSOA。SiC 用 22–47 pF,并按最坏角(Vth max / Ichg min)核 tclear ≤ SCSOA。
• Cblank 太短开通假触发:< 20 pF 时二极管结电容占比大、blanking 盖不住开通振铃 → 反复 reset。留 ≥ 2× 开通暂态时长的 blanking。
• 漏算内部 tLEB:UCC21750 有 200 ns 固定前沿消隐叠在 Cblank 充电之前,真 tblank = tLEB + Cblank·Vth/Ichg,漏算这 200 ns 会低估 blanking。
• 二极管串加多颗吃假触发裕度:每颗 Vf 抬高正常态钳位电位、逼近 Vth。只为耐压时才加,能单颗就单颗。
• 硬关短路电流:DESAT 触发后必须软关(小 ISTO 拉长 tfall),否则 Ls·di/dt 过压击穿。核 Vds 峰 < 1.2×额定。
• 只接 MCU 不直关:DESAT 必须是硬件通路直接触发软关断,FAULT 报 MCU 是并行第二通道;MCU 卡死时硬件路仍保器件。
• 只测 Type I 不验 Type II:导通中突发短路(Type II)是更严苛场景,DV 必加。

只列本页专业术语。

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