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主驅電控系統(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功能的單通道隔離驅動NSI6611在電控系統(tǒng)中的運用，其米勒鉗位功能能夠很好地預防短路發(fā)生；DESAT功能能夠在功率管發(fā)生短路時及時關斷，保護功率管不受損壞，確保系統(tǒng)安全、穩(wěn)定地運行。
目錄
1）主驅電控系統(tǒng)驅動和基于NSI6611的驅動板介紹
1.主驅電控系統(tǒng)的組成
3.接口定義
4.NSI6611驅動電路
2）米勒鉗位和NSI6611主動米勒鉗位功能介紹
1. 米勒效應
2. 主動米勒鉗位
3. 功率器件的短路檢測
3）NSI6611 DESAT保護功能介紹
1.DESAT檢測外圍電路配置和參數(shù)
2.DESAT保護時序
3.軟關斷功能
1）主驅電控系統(tǒng)驅動和基于NSI6611的驅動板介紹
1.1?主驅電控系統(tǒng)的組成
主驅電控系統(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，藍色虛線內是主驅電機控制器部分，紅色虛線內是本文將重點介紹的驅動板。
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驅動提供正負電壓，驅動三相電機；LDO（低壓差線性穩(wěn)壓器）為驅動芯片提供+5V供電。納芯微高壓隔離驅動NSI6611的作用是驅動IGBT和SiC模塊；電流采樣電路和旋變數(shù)字轉換器用來控制電機運行。
圖1：主驅電控系統(tǒng)框圖
在主驅電控系統(tǒng)中，納芯微提供了各種芯片，包括CAN接口芯片、旋變數(shù)字轉換器、電源芯片以及高壓隔離驅動芯片。
1.2?驅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動NSI6611設計的三相驅動電路板，藍色框中的6個芯片均為NSI6611。此外，驅動板還使用了納芯微的Flyback電源控制芯片NSR22401，為NSI6611高壓驅動側提供正負電壓；LDO芯片NSR3x為NSI6611低壓側提供5V供電。
圖2：基于納芯微NSI6611的驅動板
NSI6611是一款帶保護功能的車規(guī)級高壓隔離柵極驅動芯片，可以驅動IGBT和SiC，最高支持2121V峰值電壓，驅動電流最大可達10A，不需要外加驅動電路；CMTI（共模瞬變抗擾度）高達150kV/μs。此外，其內部集成了主動米勒鉗位和DESAT（退飽和）保護、軟關斷以及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，驅動板的左側是驅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。驅動板的右側是電源接口，供電電壓范圍是9V至16V。
圖3：驅動板接口定義
1.4 NSI6611驅動電路
下圖4是NSI6611的驅動電路，左側是低壓控制側，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信號為內部Open Drain（開漏）結構，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，VCC1加了一個0.1μF去偶電容。
右側是高壓驅動側，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)不同應用需要進行調整，CLAMP引腳通過0Ω電阻連接到GATE。
圖4：NSI6611驅動電路
2）米勒效應和主動米勒鉗位功能
2.1?米勒效應
米勒效應是指在晶體管或場效應管中，由于輸入電容和放大器增益的相互作用，導致放大器輸出端的電容增大的現(xiàn)象。它不僅會增加開關延時，還可能引起寄生導通。
由于半導體的固有特性，IGBT內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到VCC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
米勒電容還可能引起下管誤導通。通常，電機驅動經(jīng)常要上下管配合使用，當Q2關斷且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VGE電壓，當這個電壓超過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
2.2?主動米勒鉗位
為了解決米勒效應引起的上下管導通的問題，可以使用負壓關斷，但這會增加電源設計的復雜度，并增加BOM成本；第二個方案是使用帶有米勒鉗位功能的驅動芯片來控制IGBT的關斷過程。
米勒鉗位功能驅動芯片控制IGBT關斷的過程如下圖6所示，首先OUTL引腳打開，使柵極電壓下降；當柵極電壓降到CLAMP閾值以下時，開啟CALMP引腳，使OULT引腳關閉。所形成的通路可以有效旁路柵極電阻，從而避免出現(xiàn)上下管導通的現(xiàn)象。值得注意的是，米勒鉗位模塊只在IGBT關閉的過程中才工作。
圖6：米勒鉗位功能驅動芯片控制IGBT關斷過程示意圖
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計驅動系統(tǒng)之前，首先要了解其最大電壓、最大電流、Rdson（導通電阻）等基本參數(shù)。短路能力也是值得重點關注的參數(shù)，因為設計短路保護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內及時關斷IGBT。在短路電流達到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，使結溫急劇上升，如果不及時關斷就會燒毀器件，甚至有起火的風險，這是系統(tǒng)設計中必須避免的。
通常IGBT的短路時間最大可達10μs，而SiC的短路時間僅為2～3μs，這給短路保護帶來了很大的挑戰(zhàn)，因此必須及時檢測到短路并及時進行關斷。
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)變得更加復雜。
方法二是退飽和檢測，也就是DESAT保護。如下圖7所示，在VCE電壓和集電極電流曲線圖中可以看到，當VCE小于0.4V時，沒有電流流過截止區(qū)；隨著VCE電壓增加，電流也會變大，出現(xiàn)飽和區(qū)，然后進入線性區(qū)，即退飽和區(qū)。
通常，IGBT在飽和區(qū)工作時，一旦發(fā)生短路就會進入退飽和區(qū)?？梢钥吹?，在飽和區(qū)VCE電壓一般不會超過2V；如果進入退飽和區(qū)，VCE就會快速上升，甚至達到系統(tǒng)電壓。退飽和檢測就是通過檢測VCE電壓來檢測IGBT是否進入了退飽和區(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IGBT正常開啟時，VCE電壓很低，基本上在2V以下，這時二極管處于正向導通狀態(tài)。其VDESAT的電壓值等于電阻的壓降加二極管的壓降，再加上VCE電壓。假設電阻的阻值是100Ω，二極管的正向壓降是1.3V，VCE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IGBT短路時，VCE電壓會迅速上升，這時二極管處于關斷狀態(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，以500μA將DESAT電容充電到9V。
假設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，總的短路保護響應時間是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保護時序
下圖9是DESAT保護時序圖，從圖中可以看出，第一步，GATE上升，DESAT開始消隱時間；第二步，消隱時間結束，DESAT電流開啟，如果IGBT短路，二極管進入截止狀態(tài)，DESAT電流為電容充電；第三步，當DESAT電容充到閾值9V時，開啟DESAT保護的濾波時間；第四步，濾波時間結束，執(zhí)行GATE關斷。
圖9：DESAT保護時序圖
3.3?軟關斷功能
上文提到過，當檢測到DESAT故障時即執(zhí)行GATE關斷。那么，是不是直接正常關斷就可以了？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斷，勢必會產(chǎn)生很大的VCE電壓，足以損壞IGBT。要減少VCE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、結構設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，只有增加關斷時間，也就是讓IGBT慢慢關斷，才能安全關斷。NSI6611可以提供400mA的軟關斷，從而抑制VCE過沖，有效地解決器件保護的問題。
