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以下完整內容發(fā)表在「SysPro電力電子技術」知識星球- 關于功率電子系統(tǒng)Desat保護的解析- 「SysPro電力電子」知識星球節(jié)選- 原創(chuàng)文章，非授權不得轉載- 本篇為節(jié)選，完整內容會在知識星球發(fā)布，歡迎學習、交流

導語：在電力電子領域，IGBT和MOSFET等開關器件的安全運行至關重要。其中，Desat保護作為一種關鍵的安全保護機制，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"naughty boy"再次在我們的項目中現(xiàn)身。借此契機，我們重新認識一下"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?shù)臅r候出現(xiàn)，在不適當?shù)臅r候安靜消失。

本文將深入探討Desat保護的原理、工作過程及其在電力電子設備中的應用。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，進而闡述Desat保護的必要性。然后，我會詳細介紹Desat事件的探測方法、保護電路的工作原理，以及在實際應用中如何合理配置Desat保護參數(shù)？同時，我們還將澄清飽和區(qū)與安全工作區(qū)的區(qū)別，強調在設置保護閾值和參數(shù)時需要考慮的關鍵因素。

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？3.為什么會發(fā)生退飽和現(xiàn)象？(從結構解釋)
4. 為什么需要Desat保護？(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保護的工作原理：4步走(知識星球發(fā)布)8. Desat保護在逆變器中的應用關鍵(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，完整內容會在知識星球發(fā)布(點擊文末"閱讀原文")

IGBT或Mosfet的"正常工作狀態(tài)"什么樣子？

Desat保護作為一種安全保護，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)下應該是什么樣子？

正常工作狀態(tài)，這一點我們在《電動汽車動力"心臟"IGBT全面解析：構成本質、工作原理與范圍、關鍵特性、應用指南》中其實詳細解釋過，再簡單回顧下：

IGBT是一種集成了MOSFET和雙極晶體管優(yōu)點的復合功率器件，可以簡單理解：IGBT =一個N溝道MOSFET+一個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

在N溝道IGBT中，當柵極相對于發(fā)射極施加正電壓VGE時，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)射極之間將導通，此時集電極電流IC會源源不斷地流向發(fā)射極。

Mosfet的主要結構包括：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，3句話概括IGBT的工作過程：1. 柵極電壓控制：當柵極電壓相對于源極為正時，柵極下方的氧化物絕緣層中的電場會吸引溝道中的電子，形成一層導電溝道。這個溝道允許源極和漏極之間的電流流動。

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

3. 與IGBT輸出特性曲線的關系：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

可以看到IGBT工作狀態(tài)分為三個部分：

截止區(qū)：CE間電壓小于一個門檻電壓，即背面PN節(jié)的開啟電壓時，IGBT背面PN結截止，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，這個區(qū)域稱為飽和區(qū)。因為IGBT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，電流進一步增大。到一定臨界點后，CE電壓迅速增大，而集電極電流并不隨之增長。這時我們稱IGBT退出了飽和區(qū)。在這個區(qū)間內，IGBT損耗增加，發(fā)熱嚴重，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，下面我們正式進入Desat的解讀。

什么是Desat保護？

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

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

圖片來源：網(wǎng)絡

為什么會發(fā)生退飽和現(xiàn)象？(從結構解釋)

這一點其實也在《電動汽車動力"心臟"IGBT全面解析：構成本質、工作原理與范圍、關鍵特性、應用指南》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構入手，與MOSFET在器件結構上相似。在MOSFET中，漏極D對應于IGBT的集電極C，而源極S則對應于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。

當柵極上施加一個超過閾值的正電壓VGE時，柵極氧化層的下方會形成一個強反型層，這就是導電溝道的起源。如果此時給集電極C施加一個正電壓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，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

然而，當CE電壓繼續(xù)增大時，MOS溝道末端的電勢也會隨著VCE的增加而上升，導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反型狀態(tài)。這時，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
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用領域的Desat保護的必要性奠定了基礎。在此基礎上，我們一起再聊聊Desat事件的探測方法、保護電路的工作原理，以及在實際應用中如何合理配置Desat保護參數(shù)？同時，我們還將澄清飽和區(qū)與安全工作區(qū)的區(qū)別，然后講解下在設置保護閾值和參數(shù)時需要考慮的關鍵因素。