以下完整內(nèi)容發(fā)表在「SysPro電力電子技術(shù)」知識星球- 關(guān)于功率電子系統(tǒng)Desat保護(hù)的解析- 「SysPro電力電子」知識星球節(jié)選- 原創(chuàng)文章，非授權(quán)不得轉(zhuǎn)載- 本篇為節(jié)選，完整內(nèi)容會在知識星球發(fā)布，歡迎學(xué)習(xí)、交流

導(dǎo)語：在電力電子領(lǐng)域，IGBT和MOSFET等開關(guān)器件的安全運(yùn)行至關(guān)重要。其中，Desat保護(hù)作為一種關(guān)鍵的安全保護(hù)機(jī)制，對于防止器件因過載或短路而損壞具有重要作用。近期，這個(gè)"naughty boy"再次在我們的項(xiàng)目中現(xiàn)身。借此契機(jī)，我們重新認(rèn)識一下"它"。畢竟，只有深入了解"它"，我們才能更好地駕馭"它"，讓"它"在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候出現(xiàn)，在不適當(dāng)?shù)臅r(shí)候安靜消失。

本文將深入探討Desat保護(hù)的原理、工作過程及其在電力電子設(shè)備中的應(yīng)用。我們先從IGBT和MOSFET的正常工作狀態(tài)出發(fā)，我們將解析退飽和現(xiàn)象的發(fā)生原因，進(jìn)而闡述Desat保護(hù)的必要性。然后，我會詳細(xì)介紹Desat事件的探測方法、保護(hù)電路的工作原理，以及在實(shí)際應(yīng)用中如何合理配置Desat保護(hù)參數(shù)？同時(shí)，我們還將澄清飽和區(qū)與安全工作區(qū)的區(qū)別，強(qiáng)調(diào)在設(shè)置保護(hù)閾值和參數(shù)時(shí)需要考慮的關(guān)鍵因素。

圖片來源：SysPro系統(tǒng)工程智庫

目錄1. IGBT或Mosfet的"正常工作狀態(tài)"什么樣子？2. 什么是Desat保護(hù)？3.為什么會發(fā)生退飽和現(xiàn)象？(從結(jié)構(gòu)解釋)
4. 為什么需要Desat保護(hù)？(知識星球發(fā)布)5. 造成Desat的原因有哪些?(知識星球發(fā)布)6. 怎么探測Desat事件呢？(知識星球發(fā)布)7. Desat保護(hù)的工作原理：4步走(知識星球發(fā)布)8. Desat保護(hù)在逆變器中的應(yīng)用關(guān)鍵(知識星球發(fā)布)9. Tips: 1.飽和區(qū)≠安全工作區(qū)(知識星球發(fā)布)

注: 本篇為節(jié)選，完整內(nèi)容會在知識星球發(fā)布(點(diǎn)擊文末"閱讀原文")

01

IGBT或Mosfet的"正常工作狀態(tài)"什么樣子？

Desat保護(hù)作為一種安全保護(hù)，面對的是IGBT或Mosfet在非正常工作狀態(tài)下的事件。想要了解非正常工作狀態(tài)下的故事，前提是：先理解在正常工作狀態(tài)下應(yīng)該是什么樣子？

正常工作狀態(tài)，這一點(diǎn)我們在《電動汽車動力"心臟"IGBT全面解析：構(gòu)成本質(zhì)、工作原理與范圍、關(guān)鍵特性、應(yīng)用指南》中其實(shí)詳細(xì)解釋過，再簡單回顧下：

IGBT是一種集成了MOSFET和雙極晶體管優(yōu)點(diǎn)的復(fù)合功率器件，可以簡單理解：IGBT =一個(gè)N溝道MOSFET+一個(gè)PNP晶體管。具體來講：

• IGBT的發(fā)射極和集電極，來自于PNP晶體管
• IGBT的柵極來自于MOSFET
• MOSFET的漏極與PNP晶體管的基極接在一起

圖片來源：網(wǎng)絡(luò)

在N溝道IGBT中，當(dāng)柵極相對于發(fā)射極施加正電壓VGE時(shí)，例如15V，IGBT的工作原理與MOSFET類似，MOSFET開通，那么PNP晶體管基極被拉低，集電極與發(fā)射極之間將導(dǎo)通，此時(shí)集電極電流IC會源源不斷地流向發(fā)射極。

Mosfet的主要結(jié)構(gòu)包括：源極（Source）、漏極（Drain）、柵極（Gate）和襯底（或稱為主體，Body）。注意力移到下面右圖中：源極和漏極位于N型半導(dǎo)體材料中，而柵極則通過一層薄氧化物絕緣層與溝道隔離。襯底通常是P型半導(dǎo)體，與源極相連或短接。

圖片來源：SysPro系統(tǒng)工程智庫

下面是重點(diǎn)，3句話概括IGBT的工作過程：1. 柵極電壓控制：當(dāng)柵極電壓相對于源極為正時(shí)，柵極下方的氧化物絕緣層中的電場會吸引溝道中的電子，形成一層導(dǎo)電溝道。這個(gè)溝道允許源極和漏極之間的電流流動。

2. 導(dǎo)通控制、截止控制：通過調(diào)整柵極電壓的大小，可以控制溝道的寬度和導(dǎo)電性，從而控制源極和漏極之間的電流。當(dāng)柵極電壓足夠高時(shí)，溝道完全導(dǎo)通，電流可以自由流動；當(dāng)柵極電壓降低時(shí)，溝道逐漸變窄，電流減?。划?dāng)柵極電壓低于某一閾值時(shí)，溝道關(guān)閉，電流被阻斷。

3. 與IGBT輸出特性曲線的關(guān)系：下圖是IGBT產(chǎn)品典型的輸出特性曲線，橫軸是C，E兩端電壓，縱軸是歸一化的集電極電流。

圖片來源：網(wǎng)絡(luò)

可以看到IGBT工作狀態(tài)分為三個(gè)部分：

截止區(qū)：CE間電壓小于一個(gè)門檻電壓，即背面PN節(jié)的開啟電壓時(shí)，IGBT背面PN結(jié)截止，無電流流動，這就是我們上面說的截止控制區(qū)域。

飽和區(qū)：CE間電壓大于門檻電壓后，電流開始流動，CE間電壓隨著集電極電流上升而線性上升，這個(gè)區(qū)域稱為飽和區(qū)。因?yàn)镮GBT飽和電壓較低，因此我們希望IGBT工作在飽和區(qū)域，這也是上面說的導(dǎo)通控制工作區(qū)。

線性區(qū)：隨著CE間電壓繼續(xù)上升，電流進(jìn)一步增大。到一定臨界點(diǎn)后，CE電壓迅速增大，而集電極電流并不隨之增長。這時(shí)我們稱IGBT退出了飽和區(qū)。在這個(gè)區(qū)間內(nèi)，IGBT損耗增加，發(fā)熱嚴(yán)重，是需要避免的工作狀態(tài)。

OK，了解了IGBT的正常工作狀態(tài)的樣子，下面我們正式進(jìn)入Desat的解讀。

02

什么是Desat保護(hù)？

Desat保護(hù)，全稱為去飽和（Desaturation）保護(hù)，是一種用于電力電子系統(tǒng)中IGBT和MOSFET等半導(dǎo)體開關(guān)器件的保護(hù)機(jī)制。在電力電子設(shè)備中，IGBT和MOSFET等開關(guān)器件在正常工作狀態(tài)下會處于飽和區(qū)，此時(shí)器件的導(dǎo)通電阻較低，能量損耗小。

然而，當(dāng)這些器件承受過大的電流或發(fā)生短路時(shí)，它們會退出飽和區(qū)，進(jìn)入線性放大區(qū)，此時(shí)器件的導(dǎo)通電阻急劇增加，導(dǎo)致能量損耗急劇上升，溫度迅速升高，最終可能導(dǎo)致器件損壞。Desat保護(hù)機(jī)制就是用來監(jiān)測這種去飽和狀態(tài)，并在檢測到去飽和事件時(shí)迅速采取措施，如關(guān)斷開關(guān)器件，以防止器件損壞。| SysPro備注：結(jié)合01中的機(jī)理解讀

圖片來源：網(wǎng)絡(luò)

03

為什么會發(fā)生退飽和現(xiàn)象？(從結(jié)構(gòu)解釋)

這一點(diǎn)其實(shí)也在《電動汽車動力"心臟"IGBT全面解析：構(gòu)成本質(zhì)、工作原理與范圍、關(guān)鍵特性、應(yīng)用指南》中解釋過，這里我從Desat角度再解釋下。

要理解IGBT的退飽和現(xiàn)象，我們首先從其平面結(jié)構(gòu)入手，與MOSFET在器件結(jié)構(gòu)上相似。在MOSFET中，漏極D對應(yīng)于IGBT的集電極C，而源極S則對應(yīng)于IGBT的發(fā)射極E。這兩種器件都可能遭遇退飽和現(xiàn)象。

圖片來源：Kevin Chen, icrfq

通過查看簡化平面型IGBT的剖面圖，我們可以更好地理解退飽和發(fā)生的原因。

當(dāng)柵極上施加一個(gè)超過閾值的正電壓VGE時(shí)，柵極氧化層的下方會形成一個(gè)強(qiáng)反型層，這就是導(dǎo)電溝道的起源。如果此時(shí)給集電極C施加一個(gè)正電壓VCE，電子就會在電場的作用下從發(fā)射極E不斷流向集電極C，同時(shí)，集電極中的空穴也會從集電極C流向發(fā)射極E，于是電流就這樣產(chǎn)生了。在這個(gè)階段，電流會隨著CE電壓的增加而線性增長，器件處于飽和區(qū)。

圖片來源：網(wǎng)絡(luò)

然而，當(dāng)CE電壓繼續(xù)增大時(shí)，MOS溝道末端的電勢也會隨著VCE的增加而上升，導(dǎo)致柵極和硅表面之間的電壓差減小，無法再維持硅表面的強(qiáng)反型狀態(tài)。這時(shí)，溝道就會出現(xiàn)夾斷現(xiàn)象，電流將不再隨著CE電壓的增加而成比例地增長。這就意味著器件已經(jīng)退出了飽和區(qū)，即發(fā)生了退飽和現(xiàn)象。

圖片來源：網(wǎng)絡(luò)
了解了退飽和現(xiàn)象，以及TA發(fā)生原因，這對于我們下面理解在車用逆變器應(yīng)用領(lǐng)域的Desat保護(hù)的必要性奠定了基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，我們一起再聊聊Desat事件的探測方法、保護(hù)電路的工作原理，以及在實(shí)際應(yīng)用中如何合理配置Desat保護(hù)參數(shù)？同時(shí)，我們還將澄清飽和區(qū)與安全工作區(qū)的區(qū)別，然后講解下在設(shè)置保護(hù)閾值和參數(shù)時(shí)需要考慮的關(guān)鍵因素。

04為什么需要Desat保護(hù)？(知識星球發(fā)布)在電力電子設(shè)備中，IGBT和MOSFET等開關(guān)器件經(jīng)常處于高電壓、大電流的工作環(huán)境中，...

05

造成Desat的原因有哪些?

(知識星球發(fā)布)

造成Desat現(xiàn)象的原因主要有...

06

怎么探測Desat事件呢？

(知識星球發(fā)布)

Desat事件的探測主要依賴于對IGBT或MOSFET的監(jiān)測。在正常飽和狀態(tài)下...

07

Desat保護(hù)的工作原理：4步走

(知識星球發(fā)布)

這一點(diǎn)在上面的講解中陸續(xù)提到過，這里我們系統(tǒng)性總結(jié)下，主要有以下幾個(gè)步驟：...

08Desat保護(hù)在逆變器中的應(yīng)用關(guān)鍵(知識星球發(fā)布)在實(shí)際應(yīng)用中，DESAT保護(hù)電路通常會被集成到IGBT或MOSFET的驅(qū)動芯片中。這些驅(qū)動芯片不僅提供驅(qū)動信號，還集成了多種保護(hù)功能...

09

飽和區(qū)≠安全工作區(qū)

(知識星球發(fā)布)

下面聊聊經(jīng)常出現(xiàn)誤區(qū)的幾個(gè)概念。首先，飽和區(qū)≠安全工作區(qū)。

在上面，我們提及了IGBT需運(yùn)行在飽和區(qū)以確保正常工作。然而，并非飽和區(qū)的所有范圍都適宜IGBT運(yùn)作。實(shí)際上，IGBT的安全工作區(qū)域僅占其整個(gè)輸出特性曲線的一小部分...

圖片來源：NXP

以上內(nèi)容為功率電子系統(tǒng) · 退飽和保護(hù)(DESAT)的秘密（節(jié)選）,1.0版本，全文8600字。完整解讀、參考資料、技術(shù)報(bào)告在知識星球「SysPro電力電子技術(shù)」中發(fā)布，歡迎進(jìn)一步查閱、學(xué)習(xí)，希望有所幫助！