纳芯微带保护功能的隔离驱动助力提升新能源汽车电控系统安全稳定

主驱电控系统是新能源汽车的重要组成部分，本文将从电控系统的系统框图出发，介绍系统的各组成部分及其功能，并重点介绍纳芯微带保护功能的单通道隔离驱动NSI6611在电控系统中的运用，其米勒钳位功能能够很好地预防短路发生；DESAT功能能够在功率管发生短路时及时关断，保护功率管不受损坏，确保系统安全、稳定地运行。

目录

1）主驱电控系统驱动和基于NSI6611的驱动板介绍

1.主驱电控系统的组成

2.驱动电路板上的主要芯片

3.接口定义

4.NSI6611驱动电路

2）米勒钳位和NSI6611主动米勒钳位功能介绍

1. 米勒效应

2. 主动米勒钳位

3. 功率器件的短路检测

3）NSI6611 DESAT保护功能介绍

1.DESAT检测外围电路配置和参数

2.DESAT保护时序

3.软关断功能

1）主驱电控系统驱动和基于NSI6611的驱动板介绍

1.1主驱电控系统的组成

主驱电控系统由低压电池、整车VCU、MCU、高压电池和旋变三相电机等组成。如下图1所示，蓝色虚线内是主驱电机控制器部分，红色虚线内是本文将重点介绍的驱动板。

从功能上看，低压电池为系统提供低压供电，整车VCU通过CAN总线给电控系统发送指令，读取电控系统的状态；高压电池包提供高压供电，Flyback电路为IGBT驱动提供正负电压，驱动三相电机；LDO（低压差线性稳压器）为驱动芯片提供+5V供电。纳芯微高压隔离驱动NSI6611的作用是驱动IGBT和SiC模块；电流采样电路和旋变数字转换器用来控制电机运行。

图1：主驱电控系统框图（来源：纳芯微）

在主驱电控系统中，纳芯微提供了各种芯片，包括CAN接口芯片、旋变数字转换器、电源芯片以及高压隔离驱动芯片。

1.2驱动电路板上的主要芯片

下图2是基于纳芯微单通道智能隔离驱动NSI6611设计的三相驱动电路板，蓝色框中的6个芯片均为NSI6611。此外，驱动板还使用了纳芯微的Flyback电源控制芯片NSR22401，为NSI6611高压驱动侧提供正负电压；LDO芯片NSR3x为NSI6611低压侧提供5V供电。

图2：基于纳芯微NSI6611的驱动板（来源：纳芯微）

NSI6611是一款带保护功能的车规级高压隔离栅极驱动芯片，可以驱动IGBT和SiC，最高支持2121V峰值电压，驱动电流最大可达10A，不需要外加驱动电路；CMTI（共模瞬变抗扰度）高达150kV/μs。此外，其内部集成了主动米勒钳位和DESAT（退饱和）保护、软关断以及ASC（主动短路）功能，工作温度范围为-40℃至+125℃。

1.3 接口定义

如下图3所示，驱动板的左侧是驱动板与控制板的信号接口，包括由控制板提供PWM控制的6路输入信号；当NSI6611检测到IGBT过流或欠压时为控制板提供的6路FAULT输出信号；用来指示NSI6611供电是否欠压的6路Ready输出信号；以及分别控制3路高边和3路低边的2路RESET输入信号。驱动板的右侧是电源接口，供电电压范围是9V至16V。

图3：驱动板接口定义（来源：纳芯微）

1.4 NSI6611驱动电路

下图4是NSI6611的驱动电路，左侧是低压控制侧，信号线上串联的100Ω电阻可以有效减小信号反射；由于Fault和Ready信号为内部Open Drain（开漏）结构，需要加一个5.1kΩ的上拉电阻。另外，PWM信号加1nF电容组成的RC电路可以滤除高频信号，VCC1加了一个0.1μF去偶电容。
右侧是高压驱动侧，并联了2个1206封装的栅极电阻，栅极有一个10k下拉电阻，栅极电容可根据不同应用需要进行调整，CLAMP引脚通过0Ω电阻连接到GATE。

图4：NSI6611驱动电路（来源：纳芯微）

2）米勒效应和主动米勒钳位功能

2.1米勒效应

米勒效应是指在晶体管或场效应管中，由于输入电容和放大器增益的相互作用，导致放大器输出端的电容增大的现象。它不仅会增加开关延时，还可能引起寄生导通。

由于半导体的固有特性，IGBT内部存在着各种寄生电容，其中栅极和集电极之间的电容叫米勒电容。在测试中经常看到，栅极电压的上升并不是直接达到VCC电压，而是上升到一个电压平台维持一段时间后再上升。这个电压平台就是米勒平台，它是由米勒电容产生的。

图5.1：米勒效应（来源：纳芯微）

米勒电容还可能引起下管误导通。通常，电机驱动经常要上下管配合使用，当Q2关断且Q1开启时，由于存在很高的dv/dt和米勒电容，就会产生一定的电流。其计算如公式为：I = C * dv/dt。流过栅极电阻的电流会产生一个VGE电压，当这个电压超过Q2的开启阈值时，Q2就会开启，此时Q1已经处于开启状态，因此会引起上下管直通短路。

图5.2：米勒效应（来源：纳芯微）

2.2主动米勒钳位

为了解决米勒效应引起的上下管导通的问题，可以使用负压关断，但这会增加电源设计的复杂度，并增加BOM成本；第二个方案是使用带有米勒钳位功能的驱动芯片来控制IGBT的关断过程。

米勒钳位功能驱动芯片控制IGBT关断的过程如下图6所示，首先OUTL引脚打开，使栅极电压下降；当栅极电压降到CLAMP阈值以下时，开启CALMP引脚，使OULT引脚关闭。所形成的通路可以有效旁路栅极电阻，从而避免出现上下管导通的现象。值得注意的是，米勒钳位模块只在IGBT关闭的过程中才工作。

图6：米勒钳位功能驱动芯片控制IGBT关断过程示意图（来源：纳芯微）

2.3功率器件的短路检测

IGBT和SiC器件的短路能力各不相同。在使用一个功率器件设计驱动系统之前，首先要了解其最大电压、最大电流、Rdson（导通电阻）等基本参数。短路能力也是值得重点关注的参数，因为设计短路保护时需要知道器件的短路特性。

以IGBT短路特性参数为例，在25℃时，其最大短路时间为6μs，也就是说，需要在6μs内及时关断IGBT。在短路电流达到4800A时，数值已经是正常工作电流的好几倍，一旦短路，瞬间会产生很大的热量，使结温急剧上升，如果不及时关断就会烧毁器件，甚至有起火的风险，这是系统设计中必须避免的。

通常IGBT的短路时间最大可达10μs，而SiC的短路时间仅为2～3μs，这给短路保护带来了很大的挑战，因此必须及时检测到短路并及时进行关断。

方法一是电流检测，在IGBT上串联一个电阻，或使用电流传感器直接检测过流情况，但这样做会增加很多成本，也会使电路系统变得更加复杂。

方法二是退饱和检测，也就是DESAT保护。如下图7所示，在VCE电压和集电极电流曲线图中可以看到，当VCE小于0.4V时，没有电流流过截止区；随着VCE电压增加，电流也会变大，出现饱和区，然后进入线性区，即退饱和区。

通常，IGBT在饱和区工作时，一旦发生短路就会进入退饱和区。可以看到，在饱和区VCE电压一般不会超过2V；如果进入退饱和区，VCE就会快速上升，甚至达到系统电压。退饱和检测就是通过检测VCE电压来检测IGBT是否进入了退饱和区。

图7：功率器件的短路检测示意图（来源：纳芯微）

3）DESAT保护功能

3.1DESAT检测外围电路配置和参数

DESAT检测由NSI6611及外置的DESAT电容、电阻和高压二极管组成。NSI6611芯片内部集成了500μA恒流源和比较器。

图8：DESAT检测外围电路配置和参数（来源：纳芯微）

当IGBT正常开启时，VCE电压很低，基本上在2V以下，这时二极管处于正向导通状态。其VDESAT的电压值等于电阻的压降加二极管的压降，再加上VCE电压。假设电阻的阻值是100Ω，二极管的正向压降是1.3V，VCE是2V，那么，根据图8中的公式可以得到：IGBT正常开启时，DESAT检测到的电压基本上小于3.35V。

当IGBT短路时，VCE电压会迅速上升，这时二极管处于关断状态，电流会流向DESAT电容，并为其充电。由于NSI6611的DESAT电流是500μA，DESAT阈值是9V，也就是说，需要匹配一个电容，以便在短路时间以内，以500μA将DESAT电容充电到9V。

假设DESAT电容是56pF，根据图8中的电容充电公式计算得到：电容的充电时间是1μs左右，再加上200ns的消隐时间和200ns的滤波时间，总的短路保护响应时间是1.4μs。这个时间不仅小于IGBT的安全短路时间，也小于SiC的安全短路时间。

3.2DESAT保护时序

下图9是DESAT保护时序图，从图中可以看出，第一步，GATE上升，DESAT开始消隐时间；第二步，消隐时间结束，DESAT电流开启，如果IGBT短路，二极管进入截止状态，DESAT电流为电容充电；第三步，当DESAT电容充到阈值9V时，开启DESAT保护的滤波时间；第四步，滤波时间结束，执行GATE关断。

图9：DESAT保护时序图（来源：纳芯微）

3.3软关断功能

上文提到过，当检测到DESAT故障时即执行GATE关断。那么，是不是直接正常关断就可以了？其实不行。在发生短路时，IGBT的电流至少是正常电流的6～8倍，根据公式，电压等于系统的杂散电感乘以di/dt（V=Ls*di/dt），这么大的电流如果迅速关断，势必会产生很大的VCE电压，足以损坏IGBT。要减少VCE过冲只有两种途径，一是减少杂散电感，二是减小di/dt。

首先，由于器件的寄生参数、PCB走线、结构设计等不可避免地存在一定量的杂散电感；其次，对于减小di/dt，在电流一定的前提下，只有增加关断时间，也就是让IGBT慢慢关断，才能安全关断。NSI6611可以提供400mA的软关断，从而抑制VCE过冲，有效地解决器件保护的问题。