应用笔记 | 智能隔离驱动NSI6611的半桥应用和双脉冲测试

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

• 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

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=20uH。

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2.2.2 双脉冲测试PWM时间

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