在電力電子領域，絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）和金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）等功率器件被廣泛應用于各種高功率應用中。然而，這些器件在工作過程中可能會遇到過流或短路的情況，從而導致器件損壞。為了保護這些器件，驅動芯片通常會集成多種保護功能，其中之一就是去飽和（Desaturation, DESAT）保護。芯片代理商-中芯巨能將詳細介紹如何計算驅動芯片的DESAT保護時間。

什么是DESAT保護？

DESAT保護是一種用于檢測功率器件是否進入過流或短路狀態的機制。當功率器件的集電極-發射極電壓（Vce）超過某一閾值時，即認為發生了去飽和現象，驅動芯片會觸發DESAT保護，迅速關斷功率器件以防止其損壞。

DESAT保護的工作原理

DESAT保護通過監測功率器件的Vce電壓來判斷是否存在過流或短路情況。具體步驟如下：

啟動監測：當功率器件導通后，驅動芯片開始監測其Vce電壓。

設定閾值：驅動芯片內部設有一個預設的DESAT電壓閾值（通常是7V到8V），當Vce電壓超過該閾值時，即認為發生去飽和現象。

延遲計時：一旦檢測到Vce電壓超過閾值，驅動芯片不會立即關斷功率器件，而是啟動一個延遲計時器（DESAT保護時間）。

關斷功率器件：如果延遲計時器達到設定的時間（DESAT保護時間），驅動芯片會強制關斷功率器件，防止其進一步損壞。

如何計算DESAT保護時間

計算DESAT保護時間需要考慮多個因素，包括功率器件的特性、系統的響應時間和安全裕度。以下是具體的計算步驟：

1. 確定功率器件的最大允許電流（I_max）

首先，查閱功率器件的數據手冊，找到其最大允許電流（I_max）。這是功率器件在正常工作條件下能夠承受的最大電流值。

2. 計算短路電流（I_sc）

短路電流是系統在發生短路故障時的實際電流值。通常可以通過仿真工具或實驗測量得到。假設短路電流為I_sc。

3. 確定功率器件的熱阻（R_th）

功率器件的熱阻（R_th）是指從結到外殼的熱阻值，可以在數據手冊中查到。熱阻值決定了功率器件在短時間內能承受的熱量。

4. 計算最大允許功耗（P_max）

根據功率器件的最大允許溫度（T_j_max）和環境溫度（T_a），可以計算出最大允許功耗（P_max）：

$P_{max}=\frac{T_{j\mathrm{\_}max}?T_a}{R_{th}}$Pmax=RthTj_max?Ta

其中：

$T_{j\mathrm{\_}max}$Tj_max 是功率器件的最大允許結溫（通常為150°C或175°C）

$T_a$Ta 是環境溫度

$R_{th}$Rth 是功率器件的熱阻

5. 計算最大允許短路時間（t_sc_max）

根據最大允許功耗（P_max）和短路電流（I_sc），可以計算出最大允許短路時間（t_sc_max）：

$t_{sc\mathrm{\_}max}=\frac{P_{max}}{I_{sc}^2\times R_{DS(on)}}$tsc_max=Isc2×RDS(on)Pmax

其中：

$R_{DS(on)}$RDS(on) 是功率器件的導通電阻（對于MOSFET）或集電極-發射極飽和電壓（對于IGBT）

6. 考慮安全裕度

為了確保系統的安全性，通常會在計算結果上增加一定的安全裕度。例如，取計算出的t_sc_max的80%作為實際的DESAT保護時間：

$t_{DESAT}=t_{sc\mathrm{\_}max}\times 0.8$tDESAT=tsc_max×0.8

實際案例分析

假設我們使用一款IGBT模塊，其參數如下：

最大允許電流 $I_{max}=50A$Imax=50A

短路電流 $I_{sc}=200A$Isc=200A

結溫 $T_{j\mathrm{\_}max}=150\mathrm{°}C$Tj_max=150°C

環境溫度 $T_a=25\mathrm{°}C$Ta=25°C

熱阻 $R_{th}=0.5\mathrm{°}C\mathrm{/}W$Rth=0.5°C/W

集電極-發射極飽和電壓 $V_{CE(sat)}=2V$VCE(sat)=2V

首先，計算最大允許功耗：

$P_{max}=\frac{150\mathrm{°}C?25\mathrm{°}C}{0.5\mathrm{°}C\mathrm{/}W}=250W$Pmax=0.5°C/W150°C?25°C=250W

然后，計算最大允許短路時間：

$t_{sc\mathrm{\_}max}=\frac{250W}{(200A{)}^2\times 2V}=0.003125s=3.125ms$tsc_max=(200A)2×2V250W=0.003125s=3.125ms

考慮到安全裕度，取80%的值作為DESAT保護時間：

$t_{DESAT}=3.125ms\times 0.8=2.5ms$tDESAT=3.125ms×0.8=2.5ms

因此，這款IGBT模塊的DESAT保護時間應設置為2.5ms。

結語

通過上述步驟，我們可以準確計算出驅動芯片的DESAT保護時間，確保功率器件在發生短路或過流時能夠及時得到保護。正確設置DESAT保護時間不僅能提高系統的可靠性，還能延長功率器件的使用壽命。在實際應用中，建議結合仿真工具和實驗數據進行驗證，以確保計算結果的準確性。