应用笔记 | 纳芯微智能隔离驱动NSI6611的半桥应用和双脉冲测试

作为电动汽车“三电”系统中的关键组成部分，电机控制器直接影响车辆的安全性、舒适性和能效表现。而高压隔离驱动芯片则在电机控制器的稳定性和可靠性中扮演着至关重要的角色。纳芯微推出的智能高压隔离驱动芯片NSI6611，专为电动汽车电机控制器设计，集成了主动米勒钳位、退饱和检测、欠压保护和软关断等功能，帮助客户打造高性能、高可靠性的电机控制器。

下文将从两个层面介绍该产品相关信息：第一部分，NSI6611半桥驱动板；第二部分，基于该驱动板的双脉冲测试。

1. 基于纳芯微智能隔离驱动NSI6611的半桥驱动板介绍

1）纳芯微智能隔离驱动NSI6611的介绍

NSI6611是一款单通道增强型隔离栅极驱动器，适用于驱动IGBT、功率MOSFET和碳化硅MOSFET，具有高达10A的峰值电流驱动能力。该驱动器集成了米勒钳位、退饱和保护（DESAT）、过流保护（OCP）、欠压保护（UVLO）以及软关断等多种保护功能。欠压和短路故障可通过独立引脚进行故障报告，ASC功能则允许在紧急情况下强制输出，支持系统级故障管理。这些强大的保护与故障管理功能，使系统设计更加简化和可靠。

2）纳芯微半桥驱动板的介绍

纳芯微的半桥驱动板基于NSI6611设计，既可作为NSI6611的参考设计，也可用于应用测试、双脉冲测试和短路测试等场景，帮助客户节省硬件搭建时间，更加便捷地评估和测试NSI6611的性能。该半桥驱动板配套提供MCU控制板及上位机GUI，进一步简化了评估过程，提高了测试效率。

3）纳芯微半桥驱动板的系统框图

图1.1为纳芯微半桥驱动板的系统框图，包括两个NSI6611和两个独立的Flyback电路为NSI6611提供驱动的正负压。

图1.1 NSI6611半桥驱动板系统框图

4）半桥驱动板的实物图和控制信号定义

图1.2为半桥驱动板的实物图，包含了两颗纳芯微提供的芯片，他们是高压隔离驱动芯片NSI6611。

图1.2 半桥驱动板实物图

半桥驱动板的控制可以通过配套的MCU控制板进行，也可以使用客户自定义的控制信号。以下是接口信号的详细信息：

PWMH ：高边NSI6611的PWM输入信号

PWML：低边NSI6611的PWM输入信号

RDYH：高边NSI6611的欠压指示信号

RDYL：低边NSI6611的欠压指示信号

FLTH：高边NSI6611的报错信号

FLTL：低边NSI6611的报错信号

RSTH：高边NSI6611芯片使能信号

RSTL：高边NSI6611芯片使能信号

5）NSI6611驱动部分电路设计

图1.3展示了NSI6611驱动部分的电路原理图。左侧为低压控制部分，信号线上建议串联100欧姆电阻以有效减少信号反射。Fault和Ready信号内部为开漏结构（open drain），需要添加5.1k欧姆的上拉电阻。PWM信号则通过串联1nF电容与电阻组成RC滤波电路，以抑制高频干扰。V_CC1端口需要加0.1µF的去耦电容以稳定电源。右侧为高压驱动部分，栅极电阻采用两个1206封装的电阻并联，用以解决散热问题。栅极还使用了一个10k欧姆的下拉电阻，确保在控制信号未建立前栅极输出保持低电平。栅极电容可以根据不同应用需求进行调整，CLAMP引脚通过0欧姆电阻连接至GATE，以实现主动米勒钳位功能。

图1.3 NSI6611驱动部分电路图

2. 应用半桥驱动板的双脉冲测试指南

1）双脉冲测试实验的介绍

双脉冲测试（Double Pulse Test）是一种常用于评估功率半导体器件（如IGBT、SiC等）开关特性和性能的测试方法，广泛应用于电力电子设备、逆变器和新能源汽车电机控制器等领域的研发与测试。

该方法通过两个脉冲信号来进行测量：第一个脉冲用于建立电流，第二个脉冲用于测量。双脉冲测试主要用于评估功率半导体器件的开关速度、开关损耗以及电压和电流波形等关键参数。通过分析测试结果，可以深入了解功率器件的响应速度、能耗和电压/电流特性，从而优化电路设计与性能。

此外，双脉冲测试还可用于评估驱动芯片的性能参数，如驱动电流能力和驱动信号的Slew Rate，帮助进一步优化驱动电路设计。

2）双脉冲测试实验的目的

获取IGBT/SiC开通、关断过程的主要参数，以评估Rgon和Rgoff的数值是否合适

评估栅极驱动芯片的开通和关断时间以及开通和关断Slew Rate

观察开通和关断过程V_GE和V_CE是否有不合适的震荡

评估二极管的反向恢复电流和时间是否合适

评估IGBT/SiC大电流关断时电压尖峰是否合适

评估有源钳位功能或者退饱和等保护功能是否有效

测量DC-Link电容和主回路的杂散电感

优化驱动电路的设计

3）双脉冲测试实验的搭建

如图2.1所示，高压电源的最高输入电压为800V，支持高压侧供电，适用于IGBT和SiC的测试；低压电源的最高输入电压为15V，专门为MCU控制板和半桥驱动板的低压侧供电。由于双脉冲测试要求瞬间提供大量电流，普通电源无法满足需求，因此需要使用DC-Link电容。此类电容具有极低的ESR，能够瞬时提供大电流。高压电源的主要作用是为DC-Link电容充电。

电感值的选择可通过公式计算得出。例如，当系统电压为400V，且需要测量的最大电流达到400A时，假设开通时间为20µs，根据公式V=L*di/dt，可得电感值L=20μH。

图2.1 双脉冲测试功能框图

由于高低压之间的地线是隔离的，高边和低边的地线也相互隔离，因此在高压侧进行信号测试时，需选用高压隔离探头。对于对信号质量要求较高的测量场景，为了减少噪声干扰，可以选择光隔离探头。电流探头采用罗氏线圈结构，具有响应速度快、测量精度高的特点。

4）双脉冲测试的实验步骤

首先，连接半桥驱动板与控制板，低压上电后检查电流是否正常。随后，通过USB端口将设备连接至PC，打开上位机GUI。将示波器探头连接至驱动板，并在上位机GUI中配置双脉冲T1、T2、T3的时间。通过示波器确认Gate波形与配置参数一致。在确认无误后，打开高压电源，进行双脉冲测试。

图2.2.1 双脉冲测试框图

如图2.2.2所示，t0时刻，第一个脉冲开始，IGBT导通，此时高压电压完全加在电感L上。T1持续时间应足够长，需通过公式计算，以确保电感电流达到所需的测试电流。t1时刻，第一个脉冲结束，IGBT关断，Ic电流迅速下降至0，但电感电流并未归零。t2时刻，第二个脉冲上升沿触发，IGBT再次导通，续流二极管进入反向恢复阶段，流过Ic探头的电流为二极管与电感电流的叠加。在t2时刻，需重点关注IGBT的开通过程，检查GATE是否存在过冲或震荡，并通过GATE波形计算门级开通损耗和门级电压的上升斜率（Slew Rate）。对于功率模块，需特别留意续流二极管的反向恢复电流和时间，并通过计算推导出主回路的杂散电感。t3时刻，第二个脉冲下降沿触发，IGBT再次关断。由于此时电流较大，母线杂散电感Ls将导致一定的V_CE电压尖峰，需将其控制在合理范围内。同时，通过GATE波形可计算门级关断损耗和门级电压的下降斜率（Slew Rate）。

5）双脉冲测试实验结果的分析

双脉冲测试需要观察的信号有：PWM输入信号， Gate信号，V_CE信号以及流过下管的电流Ic，如图2.3所示。

图2.3双脉冲测试波形图

可以使用示波器自带的计算软件或者手动测量图2.3中的Td(on)，Td(off)，Tr，Tf，Eon，Eoff等参数。

开通延时时间Td(on)：从V_GS上升10%的时间开始到V_DS下降到90%的时间

关断延时时间Td(off)：从V_GS下降90%的时间开始到V_DS上升到10%的时间

上升时间（Tr）：从V_DS的90%到10%的时间

下降时间（Tf）：从V_DS的10%到90%的时间

开通时间（Ton）：开通延时时间Td（on）和上升时间（Tr）之和

关断时间（Toff）：关断延时时间Td（off）和下降时间（Tf）之和

开通损耗（Eon）：在开通过程中，V_DS和Id的积分值

关断损耗（Eoff）：在关断过程中，V_DS和Id的积分值

在双脉冲测试中，通常需要通过不断调整栅极电阻，以尽量减小过冲和震荡。对于第二个脉冲关断时的V_CE过冲问题，可以通过增大栅极电阻来进行优化。然而，如果增大栅极电阻仍无法满足系统要求，还可以通过优化DC-Link、安装铜排等结构性调整，来有效降低系统的杂散电感。