做IGBT驅(qū)動(dòng)這幾年炸過(guò)的模塊不在少數(shù)其中最典型的場(chǎng)景就是電機(jī)堵轉(zhuǎn)或者橋臂直通的瞬間示波器上Vce波形還沒(méi)反應(yīng)過(guò)來(lái)模塊已經(jīng)冒煙了。后來(lái)把英飛凌2ED020I12F2這顆半橋驅(qū)動(dòng)芯片徹底吃透我才真正理解IGBT去飽和保護(hù)電路的完整閉環(huán)——為什么短路時(shí)不能靠電流傳感器救場(chǎng)為什么“看Vce”能在幾微秒內(nèi)完成判斷以及Cdesat、Rdesat這些外圍件到底該怎么算。這篇文章把原理、公式推導(dǎo)、實(shí)測(cè)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)一次性給你適合正在做變頻器、伺服驅(qū)動(dòng)器、車載OBC、大功率DC-DC或感應(yīng)加熱電源的硬件工程師也適合剛接觸IGBT驅(qū)動(dòng)、想搞明白DESAT保護(hù)機(jī)制的同學(xué)。1. IGBT為什么需要“看Vce”來(lái)判斷短路1.1 從飽和到退飽和IGBT短路時(shí)的物理過(guò)程要理解去飽和保護(hù)就得先理解IGBT在短路時(shí)到底發(fā)生了什么物理變化。IGBT正常導(dǎo)通時(shí)工作在飽和區(qū)柵極加正壓溝道完全開啟通態(tài)壓降Vce(sat)通常在1.5V到3V之間。這時(shí)候集電極電流雖然不小但因?yàn)轱柡蛪航档凸茏由系膿p耗可以接受。飽和區(qū)的特點(diǎn)是電流主要由外部電路決定而Vce基本穩(wěn)定在很低的數(shù)值不會(huì)跟著電流大幅變化。一旦發(fā)生短路比如橋臂直通或者負(fù)載被旁路負(fù)載阻抗趨近于零集電極電流瞬間被拉高到額定電流的5到10倍。這么大的電流流過(guò)溝道時(shí)溝道上的壓降急劇增大IGBT被迫退出飽和區(qū)進(jìn)入線性放大區(qū)。這個(gè)過(guò)程中最顯著的特征就是Vce迅速抬升可以在幾微秒內(nèi)上升到接近母線電壓的水平而電流仍然被柵極電壓鉗位在一個(gè)很大的值上。高壓和大電流同時(shí)落在同一個(gè)管芯上瞬時(shí)功耗就是幾百千瓦甚至兆瓦級(jí)別的。結(jié)溫在幾個(gè)微秒到十幾個(gè)微秒內(nèi)就能沖過(guò)175°C甚至更高一旦超過(guò)這個(gè)溫度芯片內(nèi)部的鋁鍵合線、芯片焊接層就會(huì)快速劣化最終導(dǎo)致短路失效。絕大多數(shù)IGBT數(shù)據(jù)手冊(cè)里會(huì)給出一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)——短路耐受時(shí)間SCWT通常標(biāo)稱是10us。這意味著從短路發(fā)生到器件失效留給驅(qū)動(dòng)電路的反應(yīng)窗口只有大約10個(gè)微秒。我在第一次做IGBT驅(qū)動(dòng)時(shí)犯過(guò)一個(gè)錯(cuò)誤總覺(jué)得IGBT短路后可以靠時(shí)間去扛結(jié)果實(shí)測(cè)短路電流還沒(méi)到峰值模塊已經(jīng)先炸了。后來(lái)才明白IGBT的SCWT不是讓你去消耗的而是讓你在它耗盡之前完成保護(hù)動(dòng)作的。1.2 為什么不去直接采樣電流很多人第一反應(yīng)是“我在主回路串一個(gè)采樣電阻或者電流互感器不就行了”這個(gè)思路在低壓小功率場(chǎng)合可以但在大功率IGBT應(yīng)用里問(wèn)題很多。串采樣電阻最大的問(wèn)題是損耗和成本。在幾十安培到幾百安培的電流回路里哪怕采樣電阻只有1毫歐損耗也是可觀的散熱設(shè)計(jì)會(huì)很頭疼。電流互感器和霍爾傳感器雖然損耗小但都有固有延遲。從電流建立到信號(hào)經(jīng)過(guò)傳感器、比較器、邏輯電路到達(dá)驅(qū)動(dòng)芯片往往要吃掉1us以上的時(shí)間。在10us的窗口里這個(gè)延遲比例非常不劃算。更關(guān)鍵的一點(diǎn)是電流傳感器測(cè)到的是“已經(jīng)產(chǎn)生了大電流”這個(gè)結(jié)果而去飽和檢測(cè)測(cè)到的是“器件已經(jīng)進(jìn)入危險(xiǎn)工作區(qū)”這個(gè)狀態(tài)。后者在物理邏輯上更接近失效根源。因?yàn)檎嬲軞⑺繧GBT的不是電流本身而是“高電壓×大電流”同時(shí)作用下的瞬時(shí)功耗。當(dāng)Vce開始飆升說(shuō)明器件已經(jīng)退飽和你必須在最短時(shí)間內(nèi)把柵極關(guān)掉。這時(shí)候與其等電流傳感器繞一圈回來(lái)不如直接監(jiān)測(cè)Vce的變化。1.3 去飽和檢測(cè)的本質(zhì)去飽和檢測(cè)本質(zhì)上就是一個(gè)閾值判斷IGBT正常導(dǎo)通時(shí)Vce很低只有2到3伏退飽和之后Vce會(huì)迅速超過(guò)幾伏甚至幾十伏。驅(qū)動(dòng)芯片只要在特定時(shí)間窗口內(nèi)檢測(cè)Vce是否超過(guò)了一個(gè)閾值比如2ED020I12F2設(shè)定為約9V就能判斷IGBT是不是已經(jīng)退出飽和區(qū)。這個(gè)方案響應(yīng)速度有天然優(yōu)勢(shì)因?yàn)閂ce的變化本身發(fā)生在納秒到微秒量級(jí)不需要經(jīng)過(guò)電流傳感器的延遲鏈路。同時(shí)它不侵入主功率回路沒(méi)有額外損耗也不受主回路寄生參數(shù)的影響。正因?yàn)檫@些優(yōu)點(diǎn)現(xiàn)在幾乎所有的工業(yè)級(jí)IGBT驅(qū)動(dòng)芯片都把去飽和檢測(cè)做成了標(biāo)配包括英飛凌的EiceDRIVER系列。去飽和檢測(cè)還有一個(gè)隱含的好處它能捕捉到“慢速燒毀型”故障。比如IGBT老化后飽和壓降漂移、散熱變差導(dǎo)致結(jié)溫升高、或者長(zhǎng)時(shí)間過(guò)載導(dǎo)致退飽和這些情況的電流可能在額定范圍內(nèi)普通過(guò)流保護(hù)根本不會(huì)啟動(dòng)但Vce已經(jīng)悄悄抬高了。DESAT檢測(cè)能感知這種漸進(jìn)式惡化在器件徹底損壞前發(fā)出預(yù)警。2. 2ED020I12F2內(nèi)部的去飽和檢測(cè)鏈路2.1 恒流源、比較器和鉗位管的配合2ED020I12F2是英飛凌的一款2A驅(qū)動(dòng)能力、1200V電平的半橋驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部?jī)蓚€(gè)通道各自集成了完整的去飽和檢測(cè)模塊。DESAT引腳內(nèi)部接了一個(gè)恒流源和一個(gè)比較器。恒流源大約是350uA量級(jí)比較器閾值約9V具體值要看官方數(shù)據(jù)手冊(cè)。芯片工作過(guò)程可以分成三個(gè)階段來(lái)看。第一階段IGBT關(guān)斷期間。DESAT引腳被內(nèi)部鉗位管拉低到約1.2V左右。這個(gè)鉗位的作用有兩個(gè)一是防止引腳在關(guān)斷狀態(tài)下懸空積累電荷二是保證關(guān)斷時(shí)不會(huì)因?yàn)榧姌O高壓的耦合而誤觸發(fā)保護(hù)。如果DESAT引腳電壓在關(guān)斷期間被外部噪聲拉高到閾值會(huì)導(dǎo)致完全錯(cuò)誤的保護(hù)動(dòng)作所以這個(gè)鉗位管非常關(guān)鍵。第二階段IGBT剛剛開通。鉗位管釋放恒流源開始向外部的DESAT電容充電。由于外部串聯(lián)的高壓阻塞二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)DESAT引腳電壓約等于IGBT的Vce加上二極管正向壓降再加上恒流源在外部電阻上產(chǎn)生的壓降。正常導(dǎo)通時(shí)這個(gè)電壓在3V上下遠(yuǎn)低于9V閾值所以比較器不會(huì)動(dòng)作電路可以正常工作。第三階段發(fā)生短路時(shí)。IGBT退飽和Vce迅速抬高高壓通過(guò)外部二極管傳遞到DESAT引腳。引腳電壓一旦突破9V比較器輸出翻轉(zhuǎn)。但比較器并不會(huì)立刻觸發(fā)保護(hù)而是等一個(gè)消隱時(shí)間窗口確認(rèn)這個(gè)窗口用來(lái)排除IGBT開通瞬間的瞬態(tài)干擾。確認(rèn)是真實(shí)的短路后芯片才進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)。2.2 消隱時(shí)間是怎么產(chǎn)生的消隱時(shí)間是理解DESAT保護(hù)的一個(gè)核心概念。IGBT開通瞬間集電極電流會(huì)有一個(gè)尖峰。特別是在硬開關(guān)拓?fù)淅镓?fù)載是變壓器或大電感時(shí)續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流會(huì)疊加在IGBT的開通電流上造成Vce在短時(shí)間內(nèi)被抬高。如果驅(qū)動(dòng)芯片在開通瞬間立刻對(duì)DESAT信號(hào)做判斷很可能會(huì)把正常的開通過(guò)程誤判成短路系統(tǒng)連正常啟動(dòng)都做不到。所以2ED020I12F2在IGBT剛開通的一個(gè)時(shí)間窗口內(nèi)會(huì)屏蔽DESAT比較器的輸出這個(gè)窗口就是消隱時(shí)間。消隱時(shí)間由兩部分組成芯片內(nèi)部的固定延時(shí)加上外部DESAT電容充電產(chǎn)生的外部延時(shí)。內(nèi)部延時(shí)是芯片設(shè)計(jì)時(shí)定死的外部延時(shí)靠Cdesat電容的容量來(lái)調(diào)整?？傁[時(shí)間 內(nèi)部固定延時(shí) 外部電容充電到比較器閾值所需的時(shí)間。外部延時(shí)的計(jì)算公式推導(dǎo)我放到下一章詳細(xì)講這里先記住結(jié)論Cdesat越大消隱時(shí)間越長(zhǎng)抗干擾越強(qiáng)但保護(hù)響應(yīng)越慢。2.3 檢測(cè)到故障之后軟關(guān)斷與故障反饋2ED020I12F2檢測(cè)到短路后有一個(gè)容易被忽視但非常重要的行為它不會(huì)粗暴地瞬間拉低柵極電壓。原因是短路電流很大如果硬關(guān)斷di/dt會(huì)非常劇烈在母線寄生電感上產(chǎn)生極高的過(guò)壓尖峰。這個(gè)尖峰疊加在母線電壓上很可能直接超過(guò)IGBT的額定耐壓把器件二次擊穿。所以芯片執(zhí)行的是軟關(guān)斷用一個(gè)受控的放電電流來(lái)拉低柵極適當(dāng)延長(zhǎng)關(guān)斷時(shí)間把過(guò)壓尖峰鉗制在安全范圍內(nèi)。實(shí)際用示波器看軟關(guān)斷和硬關(guān)斷的波形區(qū)別非常明顯。硬關(guān)斷時(shí)Vce尖峰可能沖到1500V以上軟關(guān)斷可以控制在1200V以內(nèi)。這個(gè)差異在母線電壓高、回路電感大的系統(tǒng)里尤其明顯。與此同時(shí)FAULT引腳會(huì)輸出故障信號(hào)。這個(gè)信號(hào)是開漏輸出外部要接上拉電阻。MCU收到FAULT下降沿后可以封鎖PWM、記錄故障代碼、甚至控制接觸器切斷主電源。要讓驅(qū)動(dòng)芯片重新投入工作一般需要復(fù)位信號(hào)或者重新啟動(dòng)。這種鎖存式保護(hù)的意義在于故障發(fā)生后系統(tǒng)不會(huì)自己恢復(fù)避免在故障未排除的情況下反復(fù)重啟造成二次損壞。3. 外圍參數(shù)計(jì)算Cdesat、Rdesat、阻塞二極管的工程取值3.1 參數(shù)計(jì)算的完整推導(dǎo)去飽和保護(hù)外圍就三個(gè)關(guān)鍵器件DESAT電容Cdesat、串聯(lián)電阻Rdesat、高壓阻塞二極管Ddesat。核心計(jì)算目標(biāo)是確定Cdesat的容量因?yàn)樗苯記Q定了外部充電延時(shí)也間接決定了消隱時(shí)間的總長(zhǎng)度。來(lái)看完整的推導(dǎo)過(guò)程。恒流源以電流Ich向外部的電容C充電電容電壓從起始電壓V_base上升到比較器閾值Vth。根據(jù)電容充電基本公式I C × dV/dt充電時(shí)間t和電容值的關(guān)系為t C × (Vth - V_base) / Ich這里V_base是IGBT導(dǎo)通期間DESAT引腳上的基礎(chǔ)電壓它等于V_base Vce(sat) VF(Ddesat) Ich × Rdesat其中Vce(sat)是IGBT的飽和壓降VF(Ddesat)是阻塞二極管的正向壓降最后一項(xiàng)是恒流源在串聯(lián)電阻上產(chǎn)生的壓降。于是電壓差為ΔV Vth - V_base 9V - Vce(sat) - VF - Ich × Rdesat如果目標(biāo)外部延時(shí)是t_ext那么Cdesat Ich × t_ext / ΔV這里有個(gè)特別容易踩的坑很多人計(jì)算時(shí)只考慮Vce(sat)和二極管VF忽略了Ich × Rdesat這一項(xiàng)。當(dāng)Rdesat取值較大時(shí)這一項(xiàng)會(huì)顯著壓縮ΔV。比如Rdesat取4.7kΩIch約0.35mA光這一項(xiàng)就有1.6V多的壓降直接占掉閾值電壓的近五分之一。忽略它算出來(lái)的Cdesat會(huì)明顯偏小實(shí)際消隱時(shí)間達(dá)不到預(yù)期抗干擾能力會(huì)打折扣。3.2 具體算例以50A/1200V IGBT為例用某款50A/1200V IGBT做實(shí)例假設(shè)其數(shù)據(jù)手冊(cè)給出的Vce(sat)典型值為1.7VSCWT為10us。阻塞二極管Ddesat選擇快恢復(fù)二極管正向壓降按1V估算。Rdesat暫取1kΩ。先計(jì)算Ich × Rdesat0.35mA × 1kΩ 0.35V基礎(chǔ)電壓V_baseV_base 1.7 1 0.35 3.05V電壓差ΔVΔV 9 - 3.05 5.95V假設(shè)我們希望外部充電時(shí)間控制在0.5us也就是給內(nèi)部延時(shí)之外增加0.5us的消隱時(shí)間Cdesat 0.35mA × 0.5us / 5.95V ≈ 29.4pF取標(biāo)準(zhǔn)值33pF反算實(shí)際外部延時(shí)t_ext 33pF × 5.95V / 0.35mA ≈ 0.56us如果芯片內(nèi)部固定延時(shí)約3us總消隱時(shí)間約3.56us。對(duì)SCWT為10us的IGBT來(lái)說(shuō)這個(gè)保護(hù)響應(yīng)速度是安全的同時(shí)又留出了足夠的抗干擾余量。調(diào)低Rdesat會(huì)怎樣假設(shè)Rdesat取100Ω那Ich × Rdesat只有0.035VΔV變成6.27V。同樣的33pF電容外部延時(shí)變成0.59us變化不大。但基礎(chǔ)電壓降低了正常工作點(diǎn)的裕量更充足。所以從檢測(cè)精度角度來(lái)說(shuō)Rdesat盡量取小一些沒(méi)壞處。如果Rdesat取4.7kΩ壓降1.645VΔV只剩4.65V。這時(shí)要維持0.5us的外部延時(shí)C需要約37.4pF取39pF才能達(dá)到。可以看到Rdesat越大需要Cdesat越大這是個(gè)連鎖效應(yīng)。所以實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)最好先定Rdesat再算Cdesat。3.3 阻塞二極管和電阻選型要點(diǎn)阻塞二極管Ddesat的作用是隔離母線高壓只在IGBT導(dǎo)通時(shí)把Vce信號(hào)傳遞到DESAT引腳。它的選型有幾個(gè)硬指標(biāo)。耐壓必須足夠至少是母線電壓的1.5倍以上。1200V母線系統(tǒng)的應(yīng)用建議選1200V或更高耐壓的二極管留足安全余量。反向恢復(fù)時(shí)間要短這樣在IGBT關(guān)斷瞬間二極管能快速進(jìn)入反向截止?fàn)顟B(tài)避免反向恢復(fù)電流干擾DESAT引腳。反向漏電流要在高溫下足夠小因?yàn)槁╇娏鲿?huì)灌進(jìn)DESAT引腳相當(dāng)于額外給電容充電可能在高溫工況下把引腳電壓慢慢抬高導(dǎo)致誤觸發(fā)。我常用的選型方向是STTH系列這類快恢復(fù)二極管電流等級(jí)不需要太大反向耐壓按系統(tǒng)母線打足。Rdesat的作用有兩個(gè)限制短路瞬間流入DESAT引腳的電流同時(shí)和Cdesat組成RC低通濾波抑制高頻噪聲。取值過(guò)大會(huì)抬高基礎(chǔ)電壓壓縮檢測(cè)裕量取值過(guò)小又起不到限流和濾波作用。工程上常見(jiàn)選擇在100Ω到1kΩ之間。如果DESAT走線較長(zhǎng)、系統(tǒng)干擾較大可以適當(dāng)加大電阻但必須把壓降折算回計(jì)算公式里重新核算Cdesat。4. 消隱時(shí)間的設(shè)計(jì)權(quán)衡抗干擾與保護(hù)速度4.1 為什么消隱時(shí)間不能隨意加大有人遇到誤觸發(fā)后的第一反應(yīng)是“我把Cdesat加大消隱時(shí)間拉到8us總不會(huì)誤觸發(fā)了吧?！边@個(gè)方法在抗干擾上確實(shí)有效但代價(jià)是保護(hù)速度變慢。消隱時(shí)間的本質(zhì)就是芯片對(duì)短路信號(hào)“視而不見(jiàn)”的時(shí)間窗口。如果短路恰好發(fā)生在消隱窗口內(nèi)芯片不會(huì)立刻響應(yīng)而是要等窗口結(jié)束才開始判斷。對(duì)于SCWT只有10us的模塊來(lái)說(shuō)消隱時(shí)間超過(guò)6us再疊加比較器傳播延遲和軟關(guān)斷時(shí)間整個(gè)保護(hù)鏈路很可能跑不過(guò)熱失效的速度。我之前遇到一個(gè)客戶為了消除開機(jī)的誤保護(hù)把Cdesat加大到100pF結(jié)果消隱時(shí)間拉到接近8us。后來(lái)做短路破壞性測(cè)試IGBT雖然保護(hù)了但關(guān)斷時(shí)的Vce尖峰已經(jīng)逼近耐壓極限模塊內(nèi)部參數(shù)出現(xiàn)漂移。這就是典型的過(guò)度保守導(dǎo)致保護(hù)鏈路過(guò)慢。所以Cdesat的取值本質(zhì)上是在抗干擾能力和反應(yīng)速度之間找平衡。正確做法是先按公式算出理論值再根據(jù)實(shí)際誤觸發(fā)情況微調(diào)而不是一味加大。4.2 常見(jiàn)的誤觸發(fā)場(chǎng)景與應(yīng)對(duì)從排錯(cuò)經(jīng)驗(yàn)來(lái)看DESAT誤觸發(fā)主要集中在這幾種情況。第一種開通瞬態(tài)電流尖峰過(guò)大。IGBT開通時(shí)集電極電流會(huì)有尖峰尤其在硬開關(guān)拓?fù)渲胸?fù)載是變壓器或者大電感時(shí)續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流疊加在開通電流上Vce短時(shí)間內(nèi)被抬高。如果尖峰幅度接近DESAT閾值就會(huì)在消隱窗口結(jié)束后觸發(fā)保護(hù)。解決方向是增大柵極電阻來(lái)減慢開通速度或者適當(dāng)加大Cdesat把消隱時(shí)間延長(zhǎng)一點(diǎn)。第二種DESAT走線太長(zhǎng)和主功率走線或柵極走線發(fā)生寄生耦合把dv/dt噪聲直接引到比較器輸入端。這個(gè)問(wèn)題靠加大Cdesat效果有限必須從PCB布局上解決。DESAT引腳相關(guān)的走線要盡量短遠(yuǎn)離高頻開關(guān)節(jié)點(diǎn)必要時(shí)加地線保護(hù)環(huán)。第三種母線電壓嚴(yán)重跌落或者電網(wǎng)波動(dòng)。母線電壓瞬間下降會(huì)讓IGBT被迫退出飽和區(qū)DESAT檢測(cè)也會(huì)觸發(fā)。這種情況不是驅(qū)動(dòng)電路的問(wèn)題要綜合看系統(tǒng)供電設(shè)計(jì)必要時(shí)增加母線電容或在控制策略里做掉電處理。第四種Ddesat高溫反向漏電流過(guò)大。高溫下二極管漏電流按指數(shù)增長(zhǎng)漏電流會(huì)持續(xù)給DESAT電容充電把引腳電壓慢慢抬高最終在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)誤觸發(fā)。這個(gè)問(wèn)題在高溫環(huán)境長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的應(yīng)用里特別常見(jiàn)。解決辦法是選型時(shí)關(guān)注反向漏電流參數(shù)或者適當(dāng)加大Cdesat抬高漏電流的影響門檻。4.3 保護(hù)響應(yīng)時(shí)間核算整體保護(hù)鏈路時(shí)間由三部分組成消隱時(shí)間、比較器傳播延遲、軟關(guān)斷動(dòng)作時(shí)間。其中消隱時(shí)間占大頭傳播延遲和軟關(guān)斷時(shí)間是芯片內(nèi)部的固定參數(shù)。實(shí)測(cè)核算保護(hù)時(shí)間的方法并不復(fù)雜。設(shè)置一個(gè)可重復(fù)的短路場(chǎng)景用示波器同時(shí)抓短路電壓開始跌落的時(shí)間點(diǎn)、FAULT信號(hào)拉低的時(shí)間點(diǎn)、Vce開始變化的時(shí)間點(diǎn)。從短路發(fā)生到FAULT拉低的時(shí)間差就是保護(hù)響應(yīng)時(shí)間。從FAULT拉低到Vce完全關(guān)斷的時(shí)間差是軟關(guān)斷的執(zhí)行時(shí)間。我在做短路測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)一個(gè)有意思的細(xì)節(jié)消隱時(shí)間窗口內(nèi)的短路響應(yīng)時(shí)間會(huì)比窗口外的短路多出接近一個(gè)完整窗口的長(zhǎng)度。這是因?yàn)樾酒却翱诮Y(jié)束后才能確認(rèn)DESAT信號(hào)穩(wěn)定超出閾值。所以如果模塊頻繁在“消隱窗口內(nèi)”遇到短路宏觀表現(xiàn)就是保護(hù)速度明顯變慢。還有一個(gè)容易被忽略的點(diǎn)如果系統(tǒng)的其他保護(hù)環(huán)節(jié)也參與動(dòng)作必須把它們的延遲一起算進(jìn)去。有些設(shè)計(jì)用了過(guò)流比較器直接進(jìn)MCU處理MCU中斷響應(yīng)、軟件封鎖PWM的延遲普遍在幾微秒到幾十微秒不等。驅(qū)動(dòng)芯片的DESAT保護(hù)通常是最后一道硬件防線不能把所有希望寄托在它身上但也不能讓它成為整個(gè)保護(hù)鏈路的瓶頸。5. 實(shí)測(cè)調(diào)試與PCB布局中的細(xì)節(jié)5.1 實(shí)測(cè)波形怎么讀調(diào)試去飽和保護(hù)電路最推薦的方法是雙脈沖測(cè)試。第一個(gè)脈沖用來(lái)建立負(fù)載電流第二個(gè)脈沖可以在需要時(shí)用來(lái)驗(yàn)證短路行為或者驗(yàn)證正常關(guān)斷波形。保護(hù)動(dòng)作時(shí)示波器上DESAT引腳的電壓會(huì)先緩慢上升到9V閾值附近后FAULT拉低同時(shí)柵極電壓以比較緩的斜率下降Vce出現(xiàn)一個(gè)可控過(guò)壓尖峰。這個(gè)尖峰的幅度是驗(yàn)證軟關(guān)斷效果的核心指標(biāo)。一般來(lái)說(shuō)IGBT在測(cè)試過(guò)程中不能損壞Vce尖峰不要超過(guò)額定耐壓的80%左右留出足夠的器件裕量。我在測(cè)試時(shí)習(xí)慣同時(shí)抓CH1的Vce、CH2的Vge、CH3的DESAT引腳電壓、CH4的FAULT信號(hào)。四個(gè)波形一起看保護(hù)時(shí)序一目了然。如果發(fā)現(xiàn)FAULT信號(hào)在IGBT正常開通時(shí)頻繁出現(xiàn)先別懷疑芯片把探頭移到DESAT引腳看開通瞬間的毛刺。很多時(shí)候是毛刺幅度接近閾值一開一關(guān)就觸發(fā)保護(hù)。5.2 PCB布局里最容易忽略的幾個(gè)點(diǎn)DESAT相關(guān)回路的PCB布局是整個(gè)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)里最考驗(yàn)細(xì)節(jié)的地方。DESAT引腳相關(guān)的電阻、電容要盡量靠近芯片引腳放置縮短高阻抗檢測(cè)回路。這一段走線承載的是電流非常小的檢測(cè)信號(hào)任何外部耦合都可能干擾它。走線越短被干擾的概率越低。高壓阻塞二極管Ddesat要靠近IGBT的集電極放置。這樣IGBT集電極到二極管陽(yáng)極之間的高壓走線最短減小寄生電感也減小高壓節(jié)點(diǎn)向外輻射噪聲的面積。同時(shí)阻斷高壓的走線路徑要干凈利落不要繞來(lái)繞去穿過(guò)控制區(qū)。DESAT走線不要和柵極走線平行長(zhǎng)距離走線。柵極信號(hào)是高速開關(guān)信號(hào)dv/dt很高很容易通過(guò)寄生電容耦合到DESAT檢測(cè)回路。如果現(xiàn)場(chǎng)布局條件限制必須交叉盡量垂直交叉降低耦合面積。功率地和信號(hào)地要分開處理。驅(qū)動(dòng)芯片的信號(hào)地與功率地之間可以用單點(diǎn)連接或者用磁珠連接避免功率回路的開關(guān)電流直接在信號(hào)地上產(chǎn)生壓降干擾DESAT比較器參考電平。芯片底部如果有散熱焊盤接地處理要按數(shù)據(jù)手冊(cè)要求來(lái)不要隨意鋪銅。我見(jiàn)過(guò)一個(gè)比較極端的案例把Ddesat放在板子邊緣從IGBT集電極拉了一根十幾厘米的走線到二極管陽(yáng)極。結(jié)果每次主功率開關(guān)DESAT引腳都能看到明顯的振鈴毛刺幅度遠(yuǎn)超9V閾值。把二極管挪到靠近IGBT的位置之后毛刺立刻基本消失誤觸發(fā)問(wèn)題徹底解決。5.3 調(diào)試中常見(jiàn)問(wèn)題與排查思路結(jié)合我給客戶做技術(shù)支持的幾次經(jīng)驗(yàn)整理了最常見(jiàn)的四類問(wèn)題。問(wèn)題一一上電就報(bào)FAULT。這種問(wèn)題通常不是參數(shù)設(shè)計(jì)問(wèn)題而是硬件連接問(wèn)題。優(yōu)先排查DESAT電容是否漏焊或者虛焊二極管方向是否接反芯片供電電壓是否正常。我遇到過(guò)好幾次是二極管焊反一上電DESAT引腳直接被高壓擊中芯片當(dāng)場(chǎng)損壞。問(wèn)題二正常運(yùn)行中偶發(fā)誤保護(hù)。這是最頭疼的一類問(wèn)題因?yàn)楣收鲜情g歇性的。正確思路是用示波器長(zhǎng)余輝模式長(zhǎng)時(shí)間捕捉DESAT引腳的動(dòng)態(tài)波形。如果看到毛刺幅度接近閾值優(yōu)先考慮PCB布局問(wèn)題或者開通電流尖峰問(wèn)題。如果毛刺不明顯再懷疑是不是其他信號(hào)通過(guò)供電回路耦合進(jìn)來(lái)。問(wèn)題三短路測(cè)試時(shí)模塊直接炸了。這時(shí)的排查順序應(yīng)該是先看消隱時(shí)間是否太長(zhǎng)再看軟關(guān)斷功能是否正常生效最后看柵極關(guān)斷回路阻抗是否過(guò)高。還有一個(gè)容易被忽略的因素是母線寄生電感太大。母線電感大短路關(guān)斷時(shí)的過(guò)壓尖峰就高模塊容易被二次擊穿。解決方向是做母線疊層設(shè)計(jì)減小回路面積必要時(shí)在母線上加RC吸收。問(wèn)題四保護(hù)動(dòng)作后系統(tǒng)無(wú)法恢復(fù)。這是DESAT保護(hù)的鎖存特性是正?，F(xiàn)象。設(shè)計(jì)控制策略時(shí)要預(yù)留復(fù)位邏輯?？梢宰龀蒑CU檢測(cè)到FAULT后延時(shí)一段時(shí)間再?gòu)?fù)位驅(qū)動(dòng)也可以做成需要人工干預(yù)的故障鎖存。具體怎么選要看應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)安全性還是對(duì)可用性的權(quán)重更高。最后說(shuō)一點(diǎn)個(gè)人體會(huì)去飽和保護(hù)參數(shù)沒(méi)有所謂的通用最優(yōu)值一定是基于你自己的板子實(shí)測(cè)調(diào)出來(lái)的。我給客戶做電機(jī)驅(qū)動(dòng)器時(shí)最終定下的Cdesat和理論計(jì)算值往往差了幾皮法就是因?yàn)閷?shí)際寄生參數(shù)、噪聲環(huán)境、IGBT批次差異都會(huì)影響結(jié)果。建議第一版按公式計(jì)算值先上配合雙脈沖測(cè)試和短路破壞性測(cè)試根據(jù)實(shí)測(cè)的消隱時(shí)間和誤觸發(fā)情況再微調(diào)。每次改完參數(shù)都記錄一下波形這個(gè)數(shù)據(jù)積累起來(lái)比任何應(yīng)用筆記都有參考價(jià)值。