Short Circuit Protection — 3 类短路 + 完整保护链

驱动与保护L3别名 SC Protection · 短路保护 · SCSOA · 3 类短路 · SC type 1/2/3

本质与导读

本质:IGBT/MOSFET 短路保护不是单一机制,而是对 3 种 SC 类型(hard switch-on / load short during on / cross-phase) 用不同的检测 + 反应组合。type 1 最容易(开通就出现)、type 3 最难(跨相需 multi-channel 仲裁)。**SCSOA 10 μs(Si)/ 3-5 μs(SiC)**是器件能耐受短路的硬上限——保护链必须比这快,否则炸管。本页拆 3 类 SC 的物理 + 检测策略 + 软关断 + 跟 topic-desat-protection / topic-engineering-copilot 对象层的对应关系。

主线坐标:第 5 站 · 逆变器(栅驱 + 功率模块) · ↑ 全景主线

1. 3 类短路的物理

短路按"何时发生"分 3 类,保护策略各不同——type 1 容易,type 2 难,type 3 最难:

短路保护 — 短路类型(HSF-1/2)+ DESAT 退饱和检测 + SCSOA 时间预算(SiC ~1-3us)+ soft turn-off 防过压,短路电流/Vce 时序与反应窗口

类触发SCSOA检测特点
type 1IGBT 开通瞬间,负载已短路(hard switch-on fault)10 μs(Si)/ 3-5 μs(SiC)blanking 一过 DESAT 即识别;最容易检
type 2IGBT 已稳定导通后,负载突然短路同上已过 blanking,工况像正常导通,只能靠 VCE 漂移
type 3跨相短路(U-V 或 W-V 相间)同上2 个 IGBT 同时承受过流,多 DESAT 同时报警,需 multi-channel 仲裁

failure_mode_sc_type_1/2/3 对象图把 detect 和 mitigate 链都梳清:type 1 由 DESAT + overcurrent sensing 双路检,type 3 还需 mechanism_safety_state_manager 仲裁。

2. SCSOA — 短路安全工作区

IEC 60747-9 定义 SCSOA = 器件能耐受短路电流的最大时间。Si IGBT 1200V 典型 10 μs,SiC MOSFET 通常 3-5 μs(更短因为热容小)。

物理根因:短路时 collector 电流冲到 5-10 × Inom,瞬态功耗 P = VBUS × ISC ≈ 5-10 kW × 几 μs → 局部 die 温度跳到 175°C(Si)/ 200°C(SiC)上限。超过 SCSOA 即热击穿——die 局部熔化、gate oxide 漂移、bond wire 熔断。

工程余量:保护链总响应必须 < 0.6 × SCSOA。Si 系统 < 6 μs,SiC 系统 < 2 μs。

3. 检测手段对比

主流 SC 检测有 4 种手段,没有一种通吃——主流 IGBT 项目 DESAT + shunt 双路冗余,Rogowski 用在更激进的 SiC + 0V/ns 项目,内置 current mirror 受限于器件型号:

手段响应时间优点缺点
DESAT(VCE 监测)1-2 μs集成在 driver,无 PCB 引线,最快只能在 driver 一侧;需 blanking;SC type 3 需配合 SSM
Shunt + isolated amp5-10 μs高线性度,可同时做电流控制慢、贵、PCB 面积;隔离器件温漂
Rogowski coil2-5 μs真高带宽,无插入损耗不响应 DC,需积分电路;成本高
内置 current mirror IGBT0.5-1 μs极快、低成本仅特定器件型号(如 IGBT3 ICAP),不通用

主流配置:DESAT 为主(1 μs 响应)+ shunt 为辅(校 DESAT + 平时控制环用)。diagnostic_vce_monitoring 和 diagnostic_overcurrent_sensing 在对象图里互为冗余。

4. 完整保护链 — detect → react → safe state

短路发生后,保护链按时序展开:

  1. t = 0:短路发生,collector 电流开始爬升
  2. t = 1-2 μs:DESAT 触发(或 overcurrent sensing 触发,如果 DESAT 在 blanking 内)
  3. t = 2-4 μs:软关断启动 — Rg 切到 50-100 Ω,gate 慢拉低
  4. t = 4-10 μs:IGBT 完全关断,VCE 升到 DC bus + 几百 V overshoot
  5. t = 10-50 μs:fault 信号到 MCU → Safety State Manager 决定下一步
  6. t = 50-100 μs(主驱):SSM 触发 ASC(HSS 或 LSS)进 safe state

mitigation_soft_turn_off 和 mechanism_safety_state_manager 在对象图里串起这条链。关键:步骤 1-4 必须在硬件路径完成,不绕 MCU——MCU 卡死也要能关 IGBT。

5. Si vs SiC 的差异

SiC MOSFET 替 Si IGBT 后,SC 保护设计要全面收紧:

维度Si IGBTSiC MOSFET
SCSOA10 μs3-5 μs
保护链总时长上限6 μs2 μs
DESAT 阈值9 V5-7 V(VDS(on) 本来就低)
Blanking time2-4 μs0.5-1 μs
软关断 Rg50-100 Ω20-50 Ω(更快,但仍比正常关断慢)
短路电流峰值5-7 × Inom8-15 × Inom(沟道更窄)

SiC 比 Si 严苛 2-3×,设计余量更小。这也是 SiC 主驱必须用专用 driver IC(如 ISO5852S-Q1)而不能沿用 Si IGBT driver 的根因。

6. 常见误区

实战中 SC 保护设计踩过的坑,Top 5:

  • ❌ "DESAT 覆盖所有 SC 类" — type 3 跨相短路单 DESAT 无法仲裁,需 SSM cross-channel 比对。
  • ❌ "SiC 沿用 Si SC 保护参数" — SCSOA 减半,DESAT 阈值 / blanking / Rg 全要调。
  • ❌ "软关断 Rg 一档够" — 实战推荐 2-stage turn-off(mitigation_two_stage_turn_off):先慢拉到 Miller plateau 之下,再大 Rg 完成,VCE overshoot 减 30-50%。
  • ❌ "fault 报给 MCU 即可" — 必须 hardware path 直关 IGBT,MCU 卡死场景 fault 报上去也没用。
  • ❌ "Lab 测一次 SC 通过就 OK" — SCSOA 是统计上限,温度 / 老化下漂移。实际 derate 到 60% SCSOA 设计才稳。

7. 在 v2.0 对象图里的位置

SC 保护是 case_sg2_reverse_torque_asil_d 反向追下来最密集的子图:3 类 failure_mode 各由不同 detect / mitigate 机制覆盖、最终落到具体 component。

v2.0 对象图 SC 保护子图 — 从 SG2 (ASIL D) 反向追溯:type 1/2/3 failure_mode 经 DESAT/overcurrent/SSM 检测,DESAT 由 ISO5852S 实现,soft/two-stage turn-off 与 ASC 依赖各机制

跑 python3 scripts/copilot/query.py related failure_mode_sc_type_1 看完整 1-hop。

核心要点
  • SC 按时机分 3 类:type 1(hard switch-on)/ type 2(load short during on)/ type 3(cross-phase)。
  • SCSOA:Si 10 μs / SiC 3-5 μs;保护链总响应必须 < 0.6 × SCSOA。
  • 检测主流:DESAT 1-2 μs + 电流采样 5-10 μs 互冗余。
  • 反应链:detect → soft turn-off → fault 报 SSM → safe state(主驱 ASC)。
  • 硬件路径必须直关 IGBT,不绕 MCU。
  • SiC 比 Si 严苛 2-3×,参数全要重调。
  • type 3 需 SSM cross-channel 仲裁,单 DESAT 不够。
  • 5 个常见误区:漏 type 3 / SiC 沿用参数 / 单档 Rg / fault 只接 MCU / 单测过即 OK。

Engineering Objects
引用此页的结构化 Engineeri…

引用此页的结构化 Engineering Object(v2.0 Copilot 自动生成,不要手动编辑此段)。

  • case · case_smps_short_protection — SMPS Short-Circuit Protection Chain
  • failure_mode · failure_mode_sc_type_1 — Short Circuit Type 1 (Hard Switch-On Fault)
  • failure_mode · failure_mode_sc_type_2 — Short Circuit Type 2 (Load Short During On-State)
  • failure_mode · failure_mode_sc_type_3 — Short Circuit Type 3 (Cross-Phase Failure)
  • mitigation · mitigation_overcurrent_foldback — Overcurrent Foldback Limiting
  • mitigation · mitigation_soft_turn_off — 软关断 (Soft Turn-Off)
  • mitigation · mitigation_two_stage_turn_off — 两段式关断 (Two-Stage Turn-Off)

Cross-references