带主动米勒钳位和DESAT保护功能的隔离驱动在汽车电控系统中的运用介绍###

  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。

  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。

  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。

  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。

  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，工作时候的温度范围为-40℃至+125℃。

  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。

  下图4是NSI6611的驱动电路，左侧是低压控制侧，信号线Ω电阻可以轻松又有效减小信号反射；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电路能滤除高频信号，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做调整，CLAMP引脚通过0Ω电阻连接到GATE。

  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，还可能会导致寄生导通。

  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。在测试中常常看到，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。

  米勒电容还可能会导致下管误导通。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：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。

  为了解决米勒效应引起的上下管导通的问题，能够正常的使用负压关断，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。所形成的通路可以轻松又有效bypass栅极电阻，从而防止上下管导通的现象。有必要注意一下的是，米勒钳位模块只在IGBT关闭的过程中才工作。

  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）等基本信息参数。短路能力也是值得着重关注的参数，因为设计短路保护时必须了解到器件的短路特性。

  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，这是系统模块设计中必须避免的。

  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能够正常的看到，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，若发生短路就会进入退饱和区。能够正常的看到，在饱和区VCE电压正常情况下不会超过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验测试VCE电压来检测IGBT是否进入了退饱和区。

  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。

  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中的公式能得到：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。这一段时间不仅小于IGBT的安全短路时间，也小于SiC的安全短路时间。

  下图9是DESAT保护时序图，从图中能够准确的看出，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。

  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能够给大家提供400mA的软关断，从而抑制VCE过冲，有效地解决器件保护的问题。