在電力電子領(lǐng)域，絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）和金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）等功率器件被廣泛應(yīng)用于各種高功率應(yīng)用中。然而，這些器件在工作過程中可能會(huì)遇到過流或短路的情況，從而導(dǎo)致器件損壞。為了保護(hù)這些器件，驅(qū)動(dòng)芯片通常會(huì)集成多種保護(hù)功能，其中之一就是去飽和（Desaturation, DESAT）保護(hù)。芯片代理商-中芯巨能將詳細(xì)介紹如何計(jì)算驅(qū)動(dòng)芯片的DESAT保護(hù)時(shí)間。

什么是DESAT保護(hù)？

DESAT保護(hù)是一種用于檢測功率器件是否進(jìn)入過流或短路狀態(tài)的機(jī)制。當(dāng)功率器件的集電極-發(fā)射極電壓（Vce）超過某一閾值時(shí)，即認(rèn)為發(fā)生了去飽和現(xiàn)象，驅(qū)動(dòng)芯片會(huì)觸發(fā)DESAT保護(hù)，迅速關(guān)斷功率器件以防止其損壞。

DESAT保護(hù)的工作原理

DESAT保護(hù)通過監(jiān)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(dòng)監(jiān)測：當(dāng)功率器件導(dǎo)通后，驅(qū)動(dòng)芯片開始監(jiān)測其Vce電壓。

設(shè)定閾值：驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部設(shè)有一個(gè)預(yù)設(shè)的DESAT電壓閾值（通常是7V到8V），當(dāng)Vce電壓超過該閾值時(shí)，即認(rèn)為發(fā)生去飽和現(xiàn)象。

延遲計(jì)時(shí)：一旦檢測到Vce電壓超過閾值，驅(qū)動(dòng)芯片不會(huì)立即關(guān)斷功率器件，而是啟動(dòng)一個(gè)延遲計(jì)時(shí)器（DESAT保護(hù)時(shí)間）。

關(guān)斷功率器件：如果延遲計(jì)時(shí)器達(dá)到設(shè)定的時(shí)間（DESAT保護(hù)時(shí)間），驅(qū)動(dòng)芯片會(huì)強(qiáng)制關(guān)斷功率器件，防止其進(jìn)一步損壞。

如何計(jì)算DESAT保護(hù)時(shí)間

計(jì)算DESAT保護(hù)時(shí)間需要考慮多個(gè)因素，包括功率器件的特性、系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間和安全裕度。以下是具體的計(jì)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(shù)據(jù)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(jì)算短路電流（I_sc）

短路電流是系統(tǒng)在發(fā)生短路故障時(shí)的實(shí)際電流值。通常可以通過仿真工具或?qū)嶒?yàn)測量得到。假設(shè)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(jié)到外殼的熱阻值，可以在數(shù)據(jù)手冊中查到。熱阻值決定了功率器件在短時(shí)間內(nèi)能承受的熱量。

4. 計(jì)算最大允許功耗（P_max）

根據(jù)功率器件的最大允許溫度（T_j_max）和環(huán)境溫度（T_a），可以計(jì)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(jié)溫（通常為150°C或175°C）

$T_a$Ta 是環(huán)境溫度

$R_{th}$Rth 是功率器件的熱阻

5. 計(jì)算最大允許短路時(shí)間（t_sc_max）

根據(jù)最大允許功耗（P_max）和短路電流（I_sc），可以計(jì)算出最大允許短路時(shí)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(dǎo)通電阻（對(duì)于MOSFET）或集電極-發(fā)射極飽和電壓（對(duì)于IGBT）

6. 考慮安全裕度

為了確保系統(tǒng)的安全性，通常會(huì)在計(jì)算結(jié)果上增加一定的安全裕度。例如，取計(jì)算出的t_sc_max的80%作為實(shí)際的DESAT保護(hù)時(shí)間：

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

實(shí)際案例分析

假設(shè)我們使用一款I(lǐng)GBT模塊，其參數(shù)如下：

最大允許電流 $I_{max}=50A$Imax=50A

短路電流 $I_{sc}=200A$Isc=200A

結(jié)溫 $T_{j\mathrm{\_}max}=150\mathrm{°}C$Tj_max=150°C

環(huán)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(fā)射極飽和電壓 $V_{CE(sat)}=2V$VCE(sat)=2V

首先，計(jì)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(jì)算最大允許短路時(shí)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(hù)時(shí)間：

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

因此，這款I(lǐng)GBT模塊的DESAT保護(hù)時(shí)間應(yīng)設(shè)置為2.5ms。

結(jié)語

通過上述步驟，我們可以準(zhǔn)確計(jì)算出驅(qū)動(dòng)芯片的DESAT保護(hù)時(shí)間，確保功率器件在發(fā)生短路或過流時(shí)能夠及時(shí)得到保護(hù)。正確設(shè)置DESAT保護(hù)時(shí)間不僅能提高系統(tǒng)的可靠性，還能延長功率器件的使用壽命。在實(shí)際應(yīng)用中，建議結(jié)合仿真工具和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，以確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。