納芯微帶保護(hù)功能的隔離驅(qū)動助力提升新能源汽車電控系統(tǒng)安全穩(wěn)定

主驅(qū)電控系統(tǒng)是新能源汽車的重要組成部分，本文將從電控系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖出發(fā)，介紹系統(tǒng)的各組成部分及其功能，并重點介紹納芯微帶保護(hù)功能的單通道隔離驅(qū)動NSI6611在電控系統(tǒng)中的運用，其米勒鉗位功能能夠很好地預(yù)防短路發(fā)生；DESAT功能能夠在功率管發(fā)生短路時及時關(guān)斷，保護(hù)功率管不受損壞，確保系統(tǒng)安全、穩(wěn)定地運行。

目錄

1）主驅(qū)電控系統(tǒng)驅(qū)動和基于NSI6611的驅(qū)動板介紹

1.主驅(qū)電控系統(tǒng)的組成

2.驅(qū)動電路板上的主要芯片

3.接口定義

4.NSI6611驅(qū)動電路

2）米勒鉗位和NSI6611主動米勒鉗位功能介紹

1. 米勒效應(yīng)

2. 主動米勒鉗位

3. 功率器件的短路檢測

3）NSI6611 DESAT保護(hù)功能介紹

1.DESAT檢測外圍電路配置和參數(shù)

2.DESAT保護(hù)時序

3.軟關(guān)斷功能

1）主驅(qū)電控系統(tǒng)驅(qū)動和基于NSI6611的驅(qū)動板介紹

1.1?主驅(qū)電控系統(tǒng)的組成

主驅(qū)電控系統(tǒng)由低壓電池、整車VCU、MCU、高壓電池和旋變三相電機等組成。如下圖1所示，藍(lán)色虛線內(nèi)是主驅(qū)電機控制器部分，紅色虛線內(nèi)是本文將重點介紹的驅(qū)動板。

從功能上看，低壓電池為系統(tǒng)提供低壓供電，整車VCU通過CAN總線給電控系統(tǒng)發(fā)送指令，讀取電控系統(tǒng)的狀態(tài)；高壓電池包提供高壓供電，F(xiàn)lyback電路為IGBT驅(qū)動提供正負(fù)電壓，驅(qū)動三相電機；LDO（低壓差線性穩(wěn)壓器）為驅(qū)動芯片提供+5V供電。納芯微高壓隔離驅(qū)動NSI6611的作用是驅(qū)動IGBT和SiC模塊；電流采樣電路和旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換器用來控制電機運行。

圖1：主驅(qū)電控系統(tǒng)框圖

在主驅(qū)電控系統(tǒng)中，納芯微提供了各種芯片，包括CAN接口芯片、旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換器、電源芯片以及高壓隔離驅(qū)動芯片。

1.2?驅(qū)動電路板上的主要芯片

下圖2是基于納芯微單通道智能隔離驅(qū)動NSI6611設(shè)計的三相驅(qū)動電路板，藍(lán)色框中的6個芯片均為NSI6611。此外，驅(qū)動板還使用了納芯微的Flyback電源控制芯片NSR22401，為NSI6611高壓驅(qū)動側(cè)提供正負(fù)電壓；LDO芯片NSR3x為NSI6611低壓側(cè)提供5V供電。

圖2：基于納芯微NSI6611的驅(qū)動板

NSI6611是一款帶保護(hù)功能的車規(guī)級高壓隔離柵極驅(qū)動芯片，可以驅(qū)動IGBT和SiC，最高支持2121V峰值電壓，驅(qū)動電流最大可達(dá)10A，不需要外加驅(qū)動電路；CMTI（共模瞬變抗擾度）高達(dá)150kV/μs。此外，其內(nèi)部集成了主動米勒鉗位和DESAT（退飽和）保護(hù)、軟關(guān)斷以及ASC（主動短路）功能，工作溫度范圍為-40℃至+125℃。

1.3 接口定義

如下圖3所示，驅(qū)動板的左側(cè)是驅(qū)動板與控制板的信號接口，包括由控制板提供PWM控制的6路輸入信號；當(dāng)NSI6611檢測到IGBT過流或欠壓時為控制板提供的6路FAULT輸出信號；用來指示NSI6611供電是否欠壓的6路Ready輸出信號；以及分別控制3路高邊和3路低邊的2路RESET輸入信號。驅(qū)動板的右側(cè)是電源接口，供電電壓范圍是9V至16V。

圖3：驅(qū)動板接口定義

1.4 NSI6611驅(qū)動電路

下圖4是NSI6611的驅(qū)動電路，左側(cè)是低壓控制側(cè)，信號線上串聯(lián)的100Ω電阻可以有效減小信號反射；由于Fault和Ready信號為內(nèi)部Open Drain（開漏）結(jié)構(gòu)，需要加一個5.1kΩ的上拉電阻。另外，PWM信號加1nF電容組成的RC電路可以濾除高頻信號，V_CC1加了一個0.1μF去偶電容。
右側(cè)是高壓驅(qū)動側(cè)，并聯(lián)了2個1206封裝的柵極電阻，柵極有一個10k下拉電阻，柵極電容可根據(jù)不同應(yīng)用需要進(jìn)行調(diào)整，CLAMP引腳通過0Ω電阻連接到GATE。

圖4：NSI6611驅(qū)動電路

2）米勒效應(yīng)和主動米勒鉗位功能

2.1?米勒效應(yīng)

米勒效應(yīng)是指在晶體管或場效應(yīng)管中，由于輸入電容和放大器增益的相互作用，導(dǎo)致放大器輸出端的電容增大的現(xiàn)象。它不僅會增加開關(guān)延時，還可能引起寄生導(dǎo)通。

由于半導(dǎo)體的固有特性，IGBT內(nèi)部存在著各種寄生電容，其中柵極和集電極之間的電容叫米勒電容。在測試中經(jīng)常看到，柵極電壓的上升并不是直接達(dá)到V_CC電壓，而是上升到一個電壓平臺維持一段時間后再上升。這個電壓平臺就是米勒平臺，它是由米勒電容產(chǎn)生的。

圖5.1：米勒效應(yīng)

米勒電容還可能引起下管誤導(dǎo)通。通常，電機驅(qū)動經(jīng)常要上下管配合使用，當(dāng)Q2關(guān)斷且Q1開啟時，由于存在很高的dv/dt和米勒電容，就會產(chǎn)生一定的電流。其計算如公式為：I = C * dv/dt。流過柵極電阻的電流會產(chǎn)生一個V_GE電壓，當(dāng)這個電壓超過Q2的開啟閾值時，Q2就會開啟，此時Q1已經(jīng)處于開啟狀態(tài)，因此會引起上下管直通短路。

圖5.2：米勒效應(yīng)

2.2?主動米勒鉗位

為了解決米勒效應(yīng)引起的上下管導(dǎo)通的問題，可以使用負(fù)壓關(guān)斷，但這會增加電源設(shè)計的復(fù)雜度，并增加BOM成本；第二個方案是使用帶有米勒鉗位功能的驅(qū)動芯片來控制IGBT的關(guān)斷過程。

米勒鉗位功能驅(qū)動芯片控制IGBT關(guān)斷的過程如下圖6所示，首先OUTL引腳打開，使柵極電壓下降；當(dāng)柵極電壓降到CLAMP閾值以下時，開啟CALMP引腳，使OULT引腳關(guān)閉。所形成的通路可以有效旁路柵極電阻，從而避免出現(xiàn)上下管導(dǎo)通的現(xiàn)象。值得注意的是，米勒鉗位模塊只在IGBT關(guān)閉的過程中才工作。

圖6：米勒鉗位功能驅(qū)動芯片控制IGBT關(guān)斷過程示意圖

2.3?功率器件的短路檢測

IGBT和SiC器件的短路能力各不相同。在使用一個功率器件設(shè)計驅(qū)動系統(tǒng)之前，首先要了解其最大電壓、最大電流、Rdson（導(dǎo)通電阻）等基本參數(shù)。短路能力也是值得重點關(guān)注的參數(shù)，因為設(shè)計短路保護(hù)時需要知道器件的短路特性。

以IGBT短路特性參數(shù)為例，在25℃時，其最大短路時間為6μs，也就是說，需要在6μs內(nèi)及時關(guān)斷IGBT。在短路電流達(dá)到4800A時，數(shù)值已經(jīng)是正常工作電流的好幾倍，一旦短路，瞬間會產(chǎn)生很大的熱量，使結(jié)溫急劇上升，如果不及時關(guān)斷就會燒毀器件，甚至有起火的風(fēng)險，這是系統(tǒng)設(shè)計中必須避免的。

通常IGBT的短路時間最大可達(dá)10μs，而SiC的短路時間僅為2～3μs，這給短路保護(hù)帶來了很大的挑戰(zhàn)，因此必須及時檢測到短路并及時進(jìn)行關(guān)斷。

方法一是電流檢測，在IGBT上串聯(lián)一個電阻，或使用電流傳感器直接檢測過流情況，但這樣做會增加很多成本，也會使電路系統(tǒng)變得更加復(fù)雜。

方法二是退飽和檢測，也就是DESAT保護(hù)。如下圖7所示，在V_CE電壓和集電極電流曲線圖中可以看到，當(dāng)V_CE小于0.4V時，沒有電流流過截止區(qū)；隨著V_CE電壓增加，電流也會變大，出現(xiàn)飽和區(qū)，然后進(jìn)入線性區(qū)，即退飽和區(qū)。

通常，IGBT在飽和區(qū)工作時，一旦發(fā)生短路就會進(jìn)入退飽和區(qū)。可以看到，在飽和區(qū)V_CE電壓一般不會超過2V；如果進(jìn)入退飽和區(qū)，V_CE就會快速上升，甚至達(dá)到系統(tǒng)電壓。退飽和檢測就是通過檢測V_CE電壓來檢測IGBT是否進(jìn)入了退飽和區(qū)。

圖7：功率器件的短路檢測示意圖

3）DESAT保護(hù)功能

3.1?DESAT檢測外圍電路配置和參數(shù)

DESAT檢測由NSI6611及外置的DESAT電容、電阻和高壓二極管組成。NSI6611芯片內(nèi)部集成了500μA恒流源和比較器。

圖8：DESAT檢測外圍電路配置和參數(shù)

當(dāng)IGBT正常開啟時，V_CE電壓很低，基本上在2V以下，這時二極管處于正向?qū)顟B(tài)。其VDESAT的電壓值等于電阻的壓降加二極管的壓降，再加上V_CE電壓。假設(shè)電阻的阻值是100Ω，二極管的正向壓降是1.3V，V_CE是2V，那么，根據(jù)圖8中的公式可以得到：IGBT正常開啟時，DESAT檢測到的電壓基本上小于3.35V。

當(dāng)IGBT短路時，V_CE電壓會迅速上升，這時二極管處于關(guān)斷狀態(tài)，電流會流向DESAT電容，并為其充電。由于NSI6611的DESAT電流是500μA，DESAT閾值是9V，也就是說，需要匹配一個電容，以便在短路時間以內(nèi)，以500μA將DESAT電容充電到9V。

假設(shè)DESAT電容是56pF，根據(jù)圖8中的電容充電公式計算得到：電容的充電時間是1μs左右，再加上200ns的消隱時間和200ns的濾波時間，總的短路保護(hù)響應(yīng)時間是1.4μs。這個時間不僅小于IGBT的安全短路時間，也小于SiC的安全短路時間。

3.2?DESAT保護(hù)時序

下圖9是DESAT保護(hù)時序圖，從圖中可以看出，第一步，GATE上升，DESAT開始消隱時間；第二步，消隱時間結(jié)束，DESAT電流開啟，如果IGBT短路，二極管進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，DESAT電流為電容充電；第三步，當(dāng)DESAT電容充到閾值9V時，開啟DESAT保護(hù)的濾波時間；第四步，濾波時間結(jié)束，執(zhí)行GATE關(guān)斷。

圖9：DESAT保護(hù)時序圖

3.3?軟關(guān)斷功能

上文提到過，當(dāng)檢測到DESAT故障時即執(zhí)行GATE關(guān)斷。那么，是不是直接正常關(guān)斷就可以了？其實不行。在發(fā)生短路時，IGBT的電流至少是正常電流的6～8倍，根據(jù)公式，電壓等于系統(tǒng)的雜散電感乘以di/dt（V=Ls*di/dt），這么大的電流如果迅速關(guān)斷，勢必會產(chǎn)生很大的V_CE電壓，足以損壞IGBT。要減少V_CE過沖只有兩種途徑，一是減少雜散電感，二是減小di/dt。

首先，由于器件的寄生參數(shù)、PCB走線、結(jié)構(gòu)設(shè)計等不可避免地存在一定量的雜散電感；其次，對于減小di/dt，在電流一定的前提下，只有增加關(guān)斷時間，也就是讓IGBT慢慢關(guān)斷，才能安全關(guān)斷。NSI6611可以提供400mA的軟關(guān)斷，從而抑制V_CE過沖，有效地解決器件保護(hù)的問題。