DESAT 保护设计深度 — 短路类型 I/II + blanking + C_blank/VDSAT 选型 + SiC SCSOA 余量

最典型场景 — 整车 12V 短路 / 母线对地短路 + SW 开通瞬间。波形特征:

• t = 0: SW 收到 ON 指令,栅极开始充电
• t = 50 ns: VGS 过 Vth,SW 开始导通,但 VDS 不降(因为负载已短路)
• t = 50 ns 起:VDS 一直保持 VBUS ≈ 800V,ID 飙升(短路电流 5–8 × Inom)
• t = blanking(200–500 ns):blanking 内 DESAT 屏蔽,避免 turn-on 瞬间 VDS 转换中的高值误触发
• t = 200 ns:blanking 结束,DESAT 比较器看到 V_DESAT > VDSAT(7V)→ 触发 FAULT

Type I 的 DESAT 响应窗 从 t = 0 起算,200 ns 触发 → 留 800 ns 给 TLTO 关断 → 总 1 μs 内完成,匹配 SiC SCSOA 边界。

更难处理的场景 — SW 已经稳态工作,VDS = VDS(on) ≈ 2V,负载突然短路:

• t = 0–2 μs:SW 稳态工作,VDS = 2V,ID = Inom
• t = 2 μs: SC 发生(典型相对地短路或相间短路),负载突变成短路阻抗
• t = 2 μs 起:VDS 开始升 → VDSAT 阈 → DESAT 检测开始计时
• t = 2.6 μs:V_DESAT 跨过 VDSAT → 触发(滞后 SC 发生 600 ns)
• t = 3 μs:此时已经接近 SiC SCSOA 边界(2 μs + 1 μs = 3 μs)→ 必须立即 TLTO

Type II 的 DESAT 响应窗 从 SC 发生起算,留 600 ns 触发 + 1.2 μs 关断 = 总 1.8 μs。SiC SCSOA 3 μs → 余量仅 1.2 μs,工程上必须配 TLTO ≤ 1 μs。

DESAT 工程的 5 个时间常数 + 工程目标:

• t_blank = 200–500 ns,防 turn-on 瞬间正常 VDS 高过 VDSAT 误触发
• t_response = 100–200 ns,DESAT pin 触发 → FAULT 输出延迟
• tTLTO = 800 ns–2 μs,soft turn-off 关断持续(详见 Driver Soft Turn-Off 深度)
• t_SCSOA:SiC 1–3 μs / IGBT 5–10 μs,绝不能超过
• tdead = 150–300 ns,DESAT 关断后系统级 dead-time(防对管直通)

工程目标:t_blank + t_response + tTLTO ≤ t_SCSOA × 0.7(留 30% 余量)。SiC 1 μs SCSOA → 200 ns + 150 ns + 350 ns = 700 ns,刚好卡边界,所以 SiC DESAT 设计紧度比 IGBT 紧 5×。

按时间顺序的 3 个阶段:

• ① turn-on 阶段(0 → t_blank):driver 内 I_charge(典型 500 μA)给 C_blank 充电,V_DESAT 从 0 线性升,达到 VDSAT(7V)需 t_blank;同时 DDSAT 反偏(此时 VDS 还没降到 VDS(on))
• ② 正常稳态(t_blank → 短路前):SW 进入饱和区 VDS = 2V,DDSAT 导通,V_DESAT 钳在 VDS(on) + VF(二极管正向压降)≈ 2 + 1 = 3V < 7V,比较器不触发
• ③ 短路(VDS 升高):DDSAT 反偏(VDS > V_DESAT),I_charge 继续给 C_blank 充电,V_DESAT 上升到 VDSAT → 比较器触发 FAULT

理解 DESAT 工作的核心 — DDSAT 是"VDS 监测探头",正常工况钳住 V_DESAT 低于阈值,异常工况断开让 I_charge 把 V_DESAT 升到阈值。

DDSAT 需要扛 VBUS 全摆 + 余量,800V 母线选 1.7 kV / 0.5 A 快恢复二极管:

• 反向耐压 ≥ 1.5 × VBUS(留过冲余量)
• 反向恢复时间 < 50 ns(SiC 主驱 dV/dt 高,慢恢复二极管会假触发)
• 选反向耐压 ≥ 1.5 kV 的快恢复/超快二极管(800V 母线需 ≥ 1.2 kV,留余量取 1.7 kV 级),trr < 50 ns;勿用 MURS160(仅 600V)等低压超快管 —— 耐压不足直接失效

C_blank 选型的核心权衡:

• C_blank 小(22 pF)→ t_blank 短(300 ns)→ 响应快但误触发风险高(turn-on 瞬间 VDS 振铃)
• C_blank 中(100 pF)→ t_blank 1.4 μs → IGBT 平衡档(SiC 太长、不用,见 §4 选型)
• C_blank 大(470 pF)→ t_blank 6.6 μs → 超 SiC SCSOA,不可接受

工程上 SiC 先选 33-47 pF baseline(IGBT 可 100 pF),DV 阶段测 Type I / Type II 波形,根据误触发率调整。

VDSAT 在 IC 内部用带隙基准电压源 — Tj 漂移 -2 mV/K(典型),高温补偿:

• @ 25°C:VDSAT = 7.0 V
• @ 125°C:VDSAT = 7.0 - (100 × 0.002) = 6.8 V

SiC 主驱在 125°C 工作,VDSAT 自动降到 6.8V → 更容易触发 → SCSOA 余量更好。这是 VDSAT 7V 在高温下的天然优势。

但 EV ECU 也需要考虑冷启动(-40°C):VDSAT = 7.0 + (65 × 0.002) = 7.13 V,高 130 mV → 大电流冷启动可能误报。设计时需要 DV 测试 -40°C / 125°C 两端边界。

代入典型参数(EV 主驱主流):

• t_blank = 300 ns
• t_detect = 50 ns(比较器响应)
• t_response = 150 ns(FAULT 信号 → soft turn-off enable)
• tTLTO = 800 ns(2-level 关断完成)
• t_total = 1.3 μs

SiC SCSOA 假设 = 2 μs(典型 1200V SiC 模块)→ t_total ≤ 0.7 × 2 = 1.4 μs ✓(余量仅 100 ns)。这就是为什么 SiC 主驱 DESAT 设计必须严格 — 1 μs 量级紧度的工程。

某些 SiC 模块(1700V 高压版 / 高温场景)SCSOA 仅 1.2 μs,上面的 1.3 μs total 直接超线 → 必须缩 C_blank + 缩 TLTO:

• C_blank 100 pF → 47 pF → t_blank 660 ns
• TLTO 800 ns → 500 ns(快关断,但 dV/dt 应力大)
• t_total = 660 + 50 + 150 + 500 = 1.36 μs(仍超线)

唯一解 — 换 SiC 模块(选 SCSOA 更宽的)或 加系统级 ASC(主动短路,直接将三相短接到 VBUS-,详见 Gate Driver 保护链 §8)。

DESAT 触发后的标准时序:

1. t = 0(DESAT 触发) — driver IC FAULT pin 拉低
2. t = 0 → 200 ns — IC 内部切换栅极驱动到 RTLTO(大 Rg,典型 47 Ω)
3. t = 200 ns → 1 μs — VGS 缓降到 +6 V(中间档,SiC 主流)
4. t = 1 μs → 1.5 μs — VGS 继续降到 0 V
5. t = 1.5 μs → 2 μs — VGS 拉到 -3 V,确保 Miller false trigger 抑制
6. t = 2 μs — FAULT 上报 MCU,进 Safe State 2

整个过程 VDS 从 VBUS 慢慢回落,dV/dt 控制在 5–10 kV/μs(正常工况 30 kV/μs 的 1/3),关断过电压余量足。

DESAT 链路由 VDSAT ref / C_blank / DDSAT / 比较器 4 个元件串联,任一失效都让保护失效:

MCU + 系统级补 DC,提升整体 DC ≥ 99%(ASIL D 要求):

• MCU 监测 FAULT 频率 — 正常工况 FAULT 应该 0,任何 FAULT 都需上报 DTC + 切相
• MCU 校 turn-on VDS 波形 — 通过 ADC 采 VDS,跟 DESAT 内部判断比对
• redundant DESAT 检测路径 — 一些旗舰 IC(Infineon 1ED3491Mx12N)集成双比较器 + 双 VDSAT ref
• 上电 BIST 强制触发 DESAT 测试 — POR 后 MCU 软件强制注入 DESAT 信号,验证 FAULT 链路通

DESAT 触发 → Safe State 2(切相):

1. 当前相 driver 进 TLTO 软关断
2. MCU 收 FAULT → 立刻关闭整个 6-pack(三相 PWM 全停)
3. 三相进 ASC(Active Short Circuit)— 三个 LS 全开,把电机绕组短接,详见 Gate Driver 保护链 §8
4. 上报 DTC + ECU 进 limp-home(残余 30% 功率从 12V 供电)

这条链的系统级意义不止「救一个管子」:DESAT 软关对管、掐掉桥臂直通,本质是保住功率级的可控性——而可控性正是进 ASC 的前提(ASC 要能命令同侧三管一起开)。反过来 DESAT 一旦失效,对管随之烧毁、桥臂硬短在母线上,系统先吃 DC-link 电容能量灌入的二次损伤,更丢掉了进入安全状态的能力,ASIL D「避免非预期扭矩」目标随之失守。所以 μs 级的器件保护是在为 ms 级的扭矩安全服务:先保住可控性,才谈得上用 ASC 收住扭矩(ASC 的转矩-转速特性与 STO/ASC 速度相关选择见 扭矩安全)。

SCT3080AL SCSOA=3µs;70%余量法则分配总保护链上限:

分配方案:tblank=800ns + tdetect=50ns + tprop=150ns + tTLTO=800ns = 1800ns < 2100ns ✓(余量 300ns = 14.3% 预算)。

UCC21750 消隐由内部固定 tLEB=200ns + 外部 Cblank 充电两段组成,总 tblank = tLEB + Cblank×VDSAT/Ichg。目标 tblank=800ns,Ichg=500µA typ,VDSAT=9.15V:

取标准值 Cblank=33pF;实际 tblank = 200ns + 33pF×9.15V/500µA = 200+604 = 804ns ✓。

最坏角(Ichg min=430µA / VDSAT max=9.8V):tblank,WC = 200ns + 33pF×9.8V/430µA = 200+752 = 952ns;t_total,WC = 952+50+150+800 = 1952ns < 2100ns ✓(余量 148ns = 7% 预算)。

SCT3080AL 额定电流 30A,最坏工况 125°C:RDSon≈160mΩ(2×室温);VDS(on)=160mΩ×30A=4.8V;DDSAT 正向压降 VF≈1V → V_DESAT=5.8V。

UCC21750 VDSAT @125°C = 9.15V − 100K×2mV/K = 8.95V。

触发边界电流 ID,trig:V_DESAT=VDSAT → 160mΩ×ID+1V=8.95V → ID,trig ≈ 49.7A ≈ 1.66×Inom。系统软件过流保护须在 1.6× 额定以内触发,避免 DESAT 误报(详见 C2 角 §11.2)。

低温 VDSAT 升至 9.15+65×2mV/K=9.28V;SiC RDSon 在 -40°C 低于 25°C 约 10%(负 T-系数低温段)→ V_DESAT 约 4.5V,裕量 ≥ 4.8V,误触发风险更低。

真正冷启动陷阱:低温下栅极驱动振铃幅度更大(RDSon 偏低→ dVGS/dt 更高),开通瞬态 VDS 振铃衰减较慢——若振铃峰值延续至 tLEB=200ns 窗后、Cblank 开始充电段,会短暂拉高 V_DESAT 并快速逼近 VDSAT。DV 测试必须在 -40°C 做双脉冲,确认 tLEB 末端振铃已充分衰减。

热角最差组合:VDSAT,125=8.95V / RDSon,125=160mΩ / 快速过流 1.5×Inom=45A。

V_DESAT = 160mΩ×45A + 1V = 7.2V + 1V = 8.2V,距 VDSAT,typ=8.95V 仅 0.75V(9.1% 裕量)。

此裕量远小于设计标准(≥ 30%),且 VDSAT 制造离散 8.5–9.8V。考虑 min-spec VDSAT=8.5V:触发边界电流 = (8.5V−1V)/160mΩ = 46.9A = 1.56×Inom——即 1.56× 时 V_DESAT 已等于 VDSAT,min;1.5× 时 V_DESAT=8.2V 与 VDSAT,min=8.5V 仅差 0.3V(3.5% 裕量),极度危险但尚未触发。系统设计须确保:① 软件过流限制须在 1.5×Inom 以内快速触发,不留 0.06× 的灰色地带;② DV 测试须覆盖 125°C + 1.5× 脉冲场景,结合 VDSAT 最小分布逐颗核验。

SiC 主驱开关 dV/dt ≈ 30kV/µs;DDSAT 高压快恢复二极管结电容 Cj ≈ 5pF(1.7kV 级典型值),注入 DESAT pin 电流:

150mA >> Ichg=500µA,注入电流在 tLEB 后会迅速拉高 V_DESAT,可在正常高速开关瞬间引发假触发。预防措施:① DDSAT 到 DESAT pin 走线 < 5mm 且紧贴 KELVIN 地;② 选用低 Cj 的 DDSAT(如寻求 Cj < 3pF 的 1.0kV+ 超快管);③ 若 SI 问题严重,在 DESAT pin 对 KELVIN 地加 10–22pF 旁路(须纳入 tblank 总量核算)。