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IGBT短路保护之退饱和即Desat概念

电子设计 来源:上海衡丽贸易有限公司 作者:上海衡丽贸易有限 2021-03-01 12:10 次阅读

工程师在做IGBT短路保护的时候,常会接触到退饱和即Desat的概念,到底怎么一回事,今天就用通俗的话给它说清楚了,千万不要错过

全控半导体器件不可避免要涉及工作区的问题,这也是应用全控半导体器件的基本,但有时候不太好理解,而且容易弄混。例如:

IGBT分为截止区、线性区、和饱和区;

三极管分为截止区、饱和区、放大区;

MOS分为截止区、可变电阻区和饱和区。

以IGBT为例,看一下平时工程师们说的退饱和保护及其注意事项是个啥

首先得知道,IGBT在工作的时候,一般是工作在饱和区的,就是下图中的红色区域。为什么?很容易理解,在这个区域Vce随着Ic的变化非常小,因此损耗也就很小,功率半导体让人关注的归根结底不就是个损耗嘛

那假如有一种工况,Ic持续增大,当大到一定程度,这个时候Vce增加很快,但Ic上升速率变慢,IGBT便进入了饱和区,即红色方框右边的区域,这个区域有两个显著的特点:

Vce和Ic的乘积非常大,也就是损耗功率很大,往往超过10us就会烧坏,很危险;

饱和区电流与Vge成正相关,即Vge大的话,进入饱和区的电流也会大一点,上图也可以看出来。

那么饱和区怎样理解好记又好用呢?

饱和区怎样容易理解?

打一个比方可能大家对饱和区到线性区的过渡会更容易理解:

看下边这个水阀的开关就是Vge,Vge的大小便是水阀被打开的大小,水阀里的水是电流Ic,水阀的水压就是Vce

对于特定的Vge,即水阀打开的大小固定,Ic小的时候能够顺利通过,水压Vce也很小;Ic增大,只要在合理范围内,依然能够顺利通过,Vce依然很小;当增大到上图的线性区,再大也就过不去了,因为阀门就开这么大,因此这个时候水压Vce会快速增长但水流却不怎么变大

于是我们发现一个有趣的现象,在线性区的电流是跟Vge也就是类比中的水阀打开大小直接相关的,想要增大线性区电流,阀门开大点就行了,也就是把Vge给大点就行了,前提是要在IGBT的承受范围之内

说白了,线性的含义可以理解成线性区电流跟控制电压Vge近似成线性关系

上边只是打了个比方让大家好记,毕竟电是电,水是水嘛。至于真正的原理,想必也不用我在此赘述,此处请翻课本。

学过的一般存在两种情况:

学霸从原理层面理解得非常透彻,用起来得心应手;

学渣死记硬背还老记错,饱和区那么饱和电流咋还小呀

而我的作用就是给大家提供一种中间态,好记、好用、且不用从电场、载流子、沟道的层面去理解

其实三极管也很类似,只不过这个时候的水阀开关变成了基极电流Ib;倒是MOS的理解跟它们有点不同,它的饱和区(又称有源区)对应三极管的放大区

接下来就是怎么检测并保护了

上边分析了,退出饱和区进入线性区之后,发热很厉害,IGBT很危险,这时候就要求在IGBT设计驱动的时候,要能够检测到并保护,这样才是一个合格的驱动

例如在驱动器设计的时候,上下管直通,IGBT便会迅速退出饱和态,C-E电压迅速升高,最终达到直流母线电压Udc

下图是典型的退饱和检测电路:

ABUIABACGAAgk_mDgAYovrXSyAUwtAc4wAQ!700x700.jpg

原理:

设定比较电压Vref,例如7V

当IGBT开始导通Vce还没有下降时,恒流源Idesat给Cdesat充电,充电至Vref的时间称之为消隐时间tb,tb=Cdesat*Vref/Idesat

IGBT正常导通,Cdesat电压还没充到Vref,退饱和尚未触发,由于Vce下降,Idesat流过电阻Rdesat和高压二极管Ddesat和IGBT,Desat引脚电压会下降至:Vdesat=Idesat*Rdesat+VFdiode+Vce

如果IGBT短路退饱和,Vce上升,二极管截止,恒流源Idesat给Cdesat充电至Vref大小,从而触发退饱和保护

需要注意:二极管Ddesat的基本作用是解耦高压,如果该二极管的寄生电容参数比较大,根据I=C(dVce/dt),会有额外电流给Cdesat充电,导致检测比较敏感

下图分别是一类短路和二类短路可以检测的区域(一类短路时IGBT直通,电流迅速上升,二类短路时负载短路,电流上升相对较慢)

ABUIABACGAAglOmDgAYo6M-47Acw-Ag4zgM!800x800.jpg

编辑:hfy

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