【个人经验分享】IGBT驱动器怎么知道桥臂短路了?

前面讲了短路发生后为什么需要软关断。【个人经验分享】关断越快越好吗?为什么短路保护反而要软关断? - 资源中心 - MPS技术论坛

但驱动器首先得知道:现在是不是已经出了故障?

一些IGBT驱动电路,主回路没有专门为短路保护串采样电阻,却从集电极接了一只高压二极管,连到驱动器的DESAT引脚。

没有直接测电流,它怎么判断短路?

DESAT是Desaturation,即退饱和检测。在IGBT驱动里,它主要观察一个现象:器件收到开通命令后,VCE有没有保持在合理的低压降范围。

导通时的VCE,就能反映异常

IGBT正常导通时,集电极与发射极之间通常有一个较低的导通压降,常用VCE(sat)描述,其大小受电流、温度和栅极驱动电压影响。

如果发生严重过流或短路,在当时的栅极驱动条件下,器件可能无法继续以低VCE承载电流,VCE就会明显升高。

DESAT利用这个变化检测异常。

这里的“饱和”沿用IGBT数据手册的术语,不要直接套用MOSFET输出特性里“饱和区”的概念。

集电极高电压,为什么没有直接灌进驱动器?

看一种典型电路:DESAT引脚内部有充电电流源,外接消隐电容到COM,再通过限流电阻、高压二极管连接IGBT集电极。

高压二极管的阳极朝DESAT,阴极朝集电极。

当IGBT已经正常导通、VCE较低时,电流源的电流可以经二极管流向集电极,DESAT端电压被限制在VCE加上检测路径压降附近。

而当IGBT短路时,VCE变高,DESAT引脚的电流源电流无法流入集电极,而是改为给CBLK充电,因此DESAT的端电压升高,当到达一定的阈值时,驱动器认为发生了短路。

当IGBT关断、集电极处于高电压时,二极管反偏,隔开高压侧;驱动器通常会在关断状态禁用检测,并把消隐电容放电复位。具体以所选芯片为准。

有些驱动器DESAT阈值是9V,等于VCE达到9V就动作吗?

不一定。比较器看到的是DESAT引脚电压,这与VCE之间还隔着二极管和电阻。

按上述简化电路,在检测二极管导通时:

VDESAT≈VCE+VF+ICHG×R。

所以对应的集电极电压判据近似为:

VCE,trip≈VTH,DESAT−VF−ICHG×R。

假设阈值为9V,二极管在实际检测电流下压降0.7V,电阻压降0.1V,对应VCE约8.2V。

这些是假设数字,只说明引脚阈值与VCE阈值的区别。实际还要考虑二极管压降随温度、电流变化,以及比较器和电流源的容差。

因此,多串二极管或修改检测网络,也可能改变实际动作条件,不能只当作“增加一点保护”而忽略阈值变化。

刚开通时VCE本来就高,为什么不会误报?

IGBT收到开通命令后,需要经历驱动延迟、栅极充电和集电极电压下降。刚开始的VCE本来就可能接近母线电压。

如果立刻按VCE高判断短路,每次正常开通都可能触发故障。因此,DESAT电路需要消隐时间,给正常开通过程留出窗口。

一种常见做法,是先设置内部前沿消隐,再用电流源给外部电容充电,形成额外的检测延迟。不同驱动器的时序不一样,不一定能把所有参数机械地相加。

当检测二极管不能钳住DESAT电压,忽略泄漏与寄生耦合,电容从V0充到VTH的时间约为:

tcharge≈CBLK×(VTH−V0)/ICHG。

假设CBLK为100pF、电压变化9V、充电电流500μA,对应约1.8μs。

这个时间只是电容充电部分。故障确认、传播以及后续软关断仍然需要时间。

另外CBLK电容加大,可能减少短脉冲干扰造成的误动作,但也会延长某些故障条件下的响应。

如果本来是高dv/dt经二极管结电容、长走线或不合理接地耦合进来的噪声,单纯加大电容可能只是把检测变慢。

应同时检查:DESAT走线与开关节点的耦合、二极管反向耐压与结电容、钳位网络、COM参考以及真实开通时间。

DESAT为什么不能替代精密电流采样?

DESAT根据VCE间接判断异常,但VCE并不只由电流决定。

栅极欠压、温度变化、器件离散性以及检测路径压降,都可能影响动作条件。所以不能把DESAT阈值直接换算成一个对所有工况都准确的电流门限。

检测方式 适合回答的问题
采样电阻/电流传感器 当前电流多大,是否超过设定值?
DESAT 命令导通期间,器件的VCE是否异常升高?

两者可以配合使用。DESAT通常服务于严重异常保护,电流采样还可以用于控制、限流和较低电流等级的过载判断。