2024/10/04
主駆動電子制御システムは電気自動車の重要な構成部分です。この技術記事では、電子制御システムのシステムブロック図をはじめ、システムの各コンポーネントとその機能を紹介します。特にNOVOSENSEの保護機能を備えたシングルチャンネル絶縁ドライバーNSI6611は電子制御システムアプリケーションの主役になります。ミラークランプ機能は短絡の発生を効果的に防止することができ、DESAT 機能は電力管に短絡が起きた際に迅速に遮断し、電力管を損傷から保護し、システムの安全かつ安定稼働を確保します。
目次
1) 主駆動電子制御システムドライバーとNSI6611に基づくドライバーボードの紹介
1. 主駆動電子制御システムの構成
2. ドライバー回路基板上のメインチップ
3.インターフェース定義
4.NSI6611駆動回路
2) ミラークランプと NSI6611アクティブミラークランプ機能の紹介
1.ミラー効果
2. アクティブミラークランプ
3. パワーデバイスの短絡検出
3) NSI6611 DESAT 保護機能の紹介
1.DESATによる周辺回路の構成とパラメータの検出
2.DESAT保護タイミング
3.ソフトターンオフ機能
1) 主駆動電子制御システムドライバーとNSI6611に基づくドライバーボードの紹介
1.1 主駆動電子制御システムの構成
主駆動電子制御システムは、低圧バッテリー、VCU、MCU、高電圧バッテリー、レゾルバ三相モーターで構成されています。以下の図 1 に示すように、青い点線の内側は主駆動モーターコントローラー部分で、赤い点線の内側が、この記事の焦点となるドライバーボードです。
機能的には、低電圧バッテリーはシステムに低電圧電源を供給し、VCUはCAN バスを介して電子制御システムにコマンドを送信し、電子制御システムの状態を読み取ります。高電圧バッテリーパックは高電圧電源を供給し、フライバック回路はIGBTドライバーに正および負の電圧を供給し、三相モーターを駆動します。LDO (低ドロップアウトリニアレギュレータ)がドライバーチップに +5V電源を供給します。NOVOSENSE高電圧絶縁ドライバーNSI6611はIGBTドライバーICモジュールの駆動に使用され、電流サンプリング回路とレゾルバ・デジタルコンバータはモータ動作の制御に使用されます。
図 1: 主駆動電子制御システムのブロック図
主駆動電子制御システムでは、NOVOSENSEはCANインターフェイスチップ、レゾルバ/デジタルコンバータ、パワーチップ、高電圧絶縁ドライバーチップなどをご提供します。
1.2 ドライバー回路基板上の主要チップ
図2は、NOVOSENSEのシングルチャネルインテリジェント絶縁ドライバー NSI6611に基づいて設計された三相ドライバー回路基板です。青いボックス6つのチップはすべてNSI6611です。さらに、ドライバーボードは、NOVOSENSEのフライバック電源制御チップNSR22401を使用し、NSI6611の高電圧ドライバー側に正および負の電圧を供給しています。LDOチップNSR3xは、NSI6611の低電圧側に5 Vの電源を供給しています。
図 2: NOVOSENSE NSI6611ベースのドライバーボード
NSI6611は、保護機能を備えた車載用高電圧絶縁ゲートドライバーチップで、IGBTおよびSiCモジュールを駆動することができます。最大2121Vのピーク電圧と10Aの駆動電流を対応し、外部ドライブ回路は不要です。CMTI (コモンモード過渡耐性)は最大150kV/μsです。さらに、アクティブミラークランプおよびDESAT（非飽和）保護、ソフトターンオフおよびASC（アクティブ短絡）機能が統合されており、動作温度範囲は-40°C～+125°Cです。
1.3 インターフェースの定義
以下図3に示すように、ドライバーボードの左側はドライバボードと制御ボードとの信号インタフェースとなっており、PWM制御のために制御ボードから提供される6つの入力信号、NSI6611がIGBTの過電流や電圧不足を検出した場合制御ボードに提供される6つのFAULT出力信号、NSI6611の電源が電圧不足であるかどうかを示すために使用される6つのReady出力信号、3つのハイサイドと3つのローサイドをそれぞれ制御する2つのRESET入力信号が含まれます。ドライバーボードの右側は電源インタフェースで、電源電圧範囲は9V～16Vです。
図 3: ドライバーボードインターフェイスの定義
1.4 NSI6611駆動回路
以下の図4は、NSI6611の駆動回路です。左側は低電圧制御側で、信号ラインに直列に接続された100Ωの抵抗は信号反射を効果的に低減できます。FaultおよびReady信号は内部オープンドレイン構造のため、5.1 kΩのプルアップ抵抗を追加する必要があります。さらに、PWM 信号と 1 nF コンデンサで構成されるRC回路は高周波信号をフィルタリングすることができ、0.1μFのデカップリングコンデンサがVCC1に追加されます。
右側は高電圧ドライブ側で、2つの1206パッケージのゲート抵抗が並列に接続されており、ゲートには10kΩのプルダウン抵抗があり、ゲート容量はさまざまなアプリケーションのニーズに応じて調整できます。CLAMPピンは0Ωの抵抗を介してGATEに接続されています。
図 4: NSI6611 駆動回路
2) ミラー効果とアクティブミラークランプ機能
2.1 ミラー効果
ミラー効果とは、入力容量とアンプのゲインの間の相互作用により、アンプの出力の容量が増加するというトランジスタまたは電界効果管における現象を指します。スイッチング遅延が増加するだけでなく、スプリアス伝導が発生する可能性もあります。
半導体の固有の特性により、IGBT内部にはさまざまな寄生容量が存在します。その中でゲートとコレクタ間の容量をミラー容量といいます。テスト中に、ゲート電圧が VCC 電圧まで直接上昇せず、一定期間電圧プラットフォームまで上昇し、その後再び上昇することがよく見られます。この電圧プラットフォームはミラー プラットフォームであり、ミラー容量によって生成されます。
図 5.1: ミラー効果
ミラー容量もダウンチューブの誤導通を引き起こす可能性があります。通常、モーター駆動では、上部と下部のトランジスタを使用する必要があります。Q2 がオフになり、しかもQ1 がオンになると、高い dv/dt とミラー容量により、一定の電流が流れます。計算式は、I = C * dv/dt です。ゲート抵抗を流れる電流によって VGE 電圧が生成され、この電圧が Q2 のターンオンしきい値を超えると、Q2 がオンになり、Q1は既にオンの状態にあるため、上部および下部チューブの貫通短絡が発生します。
図 5.2: ミラー効果
2.2 アクティブミラークランプ
ミラー効果によって起こされる上部および下部チューブの導通問題を解決するには、負電圧シャットダウンが可能ですが、ただし、電源設計が複雑になり、BOMコストも増加します。もう一つの選択肢は、ミラークランプ機能ドライバチップを使ってIGBTのターンオフプロセスを制御することです。
IGBTのターンオフを制御するミラークランプ機能ドライバチップのプロセスを以下の図6に示します。まず、まずOUTLピンが開き、ゲート電圧を下げます。ゲート電圧がCLAMPしきい値を下回ると、CALMP端子がオンとなり、OULT端子はオフとなります。形成された経路はゲート抵抗を効果的にバイパスすることができ、それによって上部および下部チューブが導通になるのを防ぎます。ミラークランプモジュールはIGBTがオフの場合にのみ機能することに注意が必要です。
図6:ミラークランプ機能ドライバチップによるIGBTシャットダウンプロセスの概略図
2.3 パワーデバイスの短絡検出
IGBTとSiCデバイスの短絡能力が異なります。パワーデバイスを使用して駆動システムを設計する前に、まず最大電圧、最大電流、Rdson (オン抵抗) などの基本パラメータを理解する必要があります。短絡保護を設計する際にはデバイスの短絡特性を知る必要があるため、短絡保護も注目に値するパラメータです。
IGBTの短絡特性パラメータを例にとし、25°Cでは最大短絡時間は6μsです。これは、IGBTを6μs以内に適切なタイミングでオフにする必要があることを意味します。短絡電流が4800Aに達すると、その値はすでに通常の動作電流の数倍であり、短絡が発生すると、瞬時に大量の熱が発生し、ジャンクション温度が急激に上昇します。即時シャットダウンしない場合は、デバイスが焼損し、火災の危険性さえあり、システムの設計で回避する必要があります。
一般的に、IGBTの短絡時間は最大10μsであるのに対し、SiCの短絡時間はわずか2～3μsであり、短絡保護に大きな課題をもたらします。そのため、短絡を適時に検出し、即時にシャットダウンする必要があります。
方法の一つは、IGBに直列に抵抗を接続するか、電流センサーで過電流状態を直接検出する方法ですが、コストが大幅に増加し、回路システムも複雑になります。
2つ目の方法はDESAT保護とも呼ばれる脱飽和検出です。以下の図7に示すように、VCE電圧とコレクタ電流のグラフを見ると、VCE電圧が0.4V未満の場合はカットオフ領域に電流が流れず、VCE電圧が高くなるにつれて電流が大きくなって飽和領域が現れ、直線領域、つまり非飽和領域に入ることがわかります。
通常、IGBTは飽和領域で動作し、短絡が発生すると非飽和領域に入ります。飽和領域のVCE電圧は一般的に2Vを超えないことがわかります。非飽和領域に入ると、VCE電圧は急速に上昇し、システム電圧に達することもあることがわかります。非飽和検出とは、VCE電圧を検出することでIGBTが非飽和領域に入ったかどうかを検出することです。
図 7: パワーデバイスの短絡検出の概略図
3) DESAT保護機能
3.1DESATは周辺回路の構成とパラメータを検出
DESAT検出は、NSI6611と外部DESATコンデンサ、抵抗、高電圧ダイオードで構成されます。NSI6611 チップには、500μAの定電流源とコンパレータが統合されています。
図8：DESAT検出周辺回路構成とパラメータ
IGBTが正常にオンになっている場合、VCE電圧は非常に低く、基本的には2V未満であり、ダイオードは順方向導通状態になります。VDESATの電圧値は、抵抗の電圧降下＋ダイオードの電圧降下＋VCE電圧に等しいです。抵抗の抵抗値を100Ωに仮定すると、ダイオードの順方向電圧降下を1.3V、VCEを2Vとすると、図8の式によりIGBTが正常にオンした際、DESATで検出される電圧は基本的に3.35V以下であることが得られます。
IGBTが短絡すると、VCE電圧が急上昇し、その時点でダイオードはオフになり、DESATコンデンサに電流が流れて充電されますNSI6611のDESAT電流は 500μAであり、DESAT しきい値は9Vであるため、短絡時間内に500μAで DESATコンデンサを9Vに充電するにはコンデンサを整合させる必要があります。
DESATコンデンサが56pFであると仮定すると、図8のコンデンサ充電式により計算されます。コンデンサの充電時間は約1μsに、200nsのブランキング時間と200nsのフィルタリング時間を加えた合計の短絡保護応答時間は1.4 μとなります。この時間は、IGBTの安全な短絡時間よりも短いだけでなく、SiCの安全な短絡時間よりも短いです。
3.2 DESAT保護のタイミング
以下の図9は、DESAT保護のタイミング図であり、最初のステップでGATEが上昇し、DESATのブランキング時間を開始することが分かります。第2ステップでブランキング時間が終了し、DESAT電流がオンになります。もしIGBTが短絡していれば、ダイオードが遮断状態に入り、DESAT電流はコンデンサを充電します。第３ステップでDESATコンデンサが9Vのしきい値まで充電されると、DESAT保護のフィルタリング時間がオンになります。第４ステップでは、フィルタリング時間が終了し、GATEがオフになります。
図 9: DESAT 保護のタイミングダイアグラム
3.3 ソフトターンオフ機能
前述したように、DESAT障害が検出されると、GATEシャットダウンが実行されます。では、普通にシャットダウンするだけで十分なのでしょうか？実はそうではありません。短絡が発生すると、IGBTの電流は少なくとも通常の電流の6 ～8倍になります。計算式によると、電圧はシステムの浮遊インダクタンスに di/dtを乗じた値に等しくなります (V=Ls*di/dt)。このような大電流を急速にシャットダウンすると、必然的に大きなVCE電圧が発生し、IGBTが損傷する恐れがあります。VCEオーバーシュートを低減するには2つの方法しかありません。1つは浮遊インダクタンスを低減すること、もう1つは di/dtを低減することです。
まずは、デバイスの寄生パラメータ、PCB配線、構造設計などにより、必然的にある程度の浮遊インダクタンスが存在します。他には、di/dtを低減するために、特定の電流を前提としてシャットダウン時間を長くすることが唯一の方法です。つまり、安全のためにIGBTをゆっくりとシャットダウンさせる必要があります。NSI6611は400mAのソフトターンオフを提供できるため、VCEオーバーシュートを抑制し、デバイス保護の問題を効果的に解決できます。
