IGBT短路保护之退饱和即Desat概念

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：

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）

编辑：hfy