如何计算驱动芯片的desat保护时间

CoolSiC™ MOSFET单管保证3us的短路时间,Easy模块保证2us的短路时间,因此要求驱动电路和的短路响应迅速而精确。今天,我们来具体看一下这个短而精的程度。

图1是传统典型的驱动芯片退饱和检测原理,芯片内置一个恒流源。功率开关器件在门极电压一定时,发生短路后,电流不断增加,导致器件VCE电压迅速提升至母线电压,高压二极管被阻断,恒流源电流向电容CDESAT充电,当上电容CDESAT的电压被恒流源充至大于比较器参考电压后,触发驱动器关闭输出。这样在每一次IGBT开通的初始瞬间,即使VCE还没有来得及下降进入饱和状态,电容CDESAT上的电压也不会突变。恒流源将电容CDESAT充电至比较器参考电压需要一段时间,这段时间我们叫它消隐时间,它直接影响了短路保护的时间。消隐时间可由下式进行计算:

UC_DESAT的大小是驱动芯片设计的参考电压决定的,把它当常数对待。从以上公式可以看出,恒流源的电流I越大,充电时间越短,对短路的响应越快。虽然理论上减小电容也是可以实现减少充电时间的,但是由于集成在驱动芯片内的恒流源电流本身就很小,也就几百个μA,而短路的保护通常只有几个μs,所以这个电容也就只能几百个pF。事实上电路板布线的寄生电容可能也有几十pF,而且减小电容易受干扰导致短路误报。下面我们来具体计算一下。

之前已经给出了短路时间的理论公式,但在实际应用时,无论是恒流源电流值、电容值还是参考电压值都会有波动,比如温度变化就能引起数值偏差。表1是英飞凌产品1ED020I12-F2的偏差值,把所有的这些偏差叠加一起得到如下Δt的短路时间偏差值:

加上芯片里有些系统滤波时间和响应时间,如短路时序图2中TDESATleb和TDESATOUT。具体数值可以在驱动芯片的规格书里找到,我们就得到了相对考虑全面的短路保护时间TSCOUT。以1ED020I12-F2为例,TDESATleb和TDESATOUT分别是400ns和350ns。

因为要适配碳化硅器件的额短路保护,追求快的短路保护时间,所以选用56pF作为CDESAT电容,且假设容值的偏差是10%,即+/-5.6pF。

通过以上计算可以看到,使用传统的退饱和短路检测,2us的短路响应时间就是一个非常极限的值了。根据经验,电路板的布线pF来计算而没有用更小值。

接下来再来看一下英飞凌的新产品1ED34XX在短路检测时间上有怎样的不同之处。这款产品还是退饱和短路检测的思路,但是可以不需要使用消隐电容了,如图3。它的短路保护时序由图4展示。其中最初的消隐时间TDESATleb是可以通过外围电阻配置,得到固定且精准的400ns、650ns或者1150ns,偏差在10%以内。然后就正常开通电压,如果发生短路情况,VCE迅速上升到达阈值,继而进入一个滤波时间TDESATfilter,它的值也可以通过外围电阻配置的,可以得到分布在225ns~3975ns区间里的9个时间之一,偏差也在10%以内。

其中333ns是芯片感知短路到芯片输出关断信号的系统延时。虽然该芯片也是可以外加电容来增加短路保护时间的,上面式子里的TSC就是电容带来的时间,过程在之前1ED020I12-F2的短路说明里介绍过了。不过为了满足碳化硅MOS的短路保护时间,我们选择使用最小时间配置,也就是不使用外置电容,另外也把规格书里的偏差时间(表2)考虑上。可以得出:

哇!才1us的短路保护响应时间呢,即使考虑后面再给个1us的软关断时间,依然可以在2us内实现短路保护,如此精准快速,为您的碳化硅MOS保驾护航!不愧是新一代的驱动神器啊!除了这款用电阻配置的1ED34XX系列驱动产品,英飞凌另外还有带I2C口的数字控制型驱动芯片1ED38XX,拥有更多变的短路模式,不仅能实现短路保护还能进行过流监测。

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