高壓柵極驅(qū)動器對于確保可靠地控制電動汽車中的電流至關(guān)重要。從控制逆變器的 IGBT 或 MOSFET 的開關(guān)到監(jiān)控和管理電池的充電狀態(tài)、健康狀況和熱條件，高壓驅(qū)動器可確保對開關(guān)事件進行控制。電機控制單元和車載充電器也受益于這些驅(qū)動器，使它們成為電動汽車功能必不可少的。然而，這些高壓驅(qū)動器并非萬無一失。

讓我們分析一下這些失敗的原因以及如何解決它們。

柵極驅(qū)動器中的過壓和欠壓

常見的故障是過壓和欠壓。管理對于確保電動汽車高壓柵極驅(qū)動器的效率和可靠性至關(guān)重要。

過壓及緩解

要了解如何緩解此問題，我們必須首先探究柵極驅(qū)動器中過壓是如何發(fā)生的。在功率晶體管切換期間，負責管理電動汽車電動機功率流的高壓柵極驅(qū)動器可能會因電感反沖而受到瞬態(tài)尖峰的影響。當電機繞組斷電時，磁場的崩潰會導致電感反沖，從而產(chǎn)生高電壓尖峰。這種突然增加可能會給功率晶體管和柵極驅(qū)動器帶來壓力，導致故障。

為了更好地分解電壓尖峰的產(chǎn)生，我們可以使用楞次定律， 通過考慮電流變化率和電感負載（在本例中為電動汽車的電機）來評估電壓尖峰。

高壓柵極驅(qū)動器過壓的另一個原因是電動汽車逆變器電路中高速開關(guān)產(chǎn)生的寄生電感?？梢酝ㄟ^考慮電流變化率和寄生電感來近似計算電壓過沖。

當電壓超過開關(guān)導體的柵極氧化物擊穿電壓時，柵極驅(qū)動器中的過壓效應(yīng)可能會導致性短路。過壓的幅度與驅(qū)動器元件上施加的應(yīng)力成正比。 高壓尖峰的電磁輻射會影響驅(qū)動器效率。

過壓可通過瞬態(tài)電壓抑制(TVS)來緩解 。這涉及使用半導體器件（例如 TVS 二極管）作為電壓鉗位器件，當瞬態(tài)電流超過額定閾值時，它們會為電流提供低阻抗路徑。在為高壓柵極驅(qū)動器選擇 TVS 二極管時，請考慮二極管在瞬態(tài)事件期間可以處理的峰值脈沖電流以及二極管吸收和耗散的能量。根據(jù)鉗位電壓和瞬態(tài)功率，可以輕松估算 TVS 二極管的電流閾值，其中 (t pulse ) 是瞬態(tài)脈沖持續(xù)時間。

IPP=EtransientVC×tpulse

另一種緩解高壓柵極驅(qū)動器過壓效應(yīng)的方法是使用 RC 緩沖電路，該電路通過串聯(lián)電阻和電容來抑制電壓尖峰。在電路設(shè)計期間，選擇能夠吸收電動汽車電感負載能量的電容以確保性能。根據(jù)允許的電壓尖峰以及電感及其峰值電流，可以輕松估算緩沖電路中要使用的電容。另一方面，為電路選擇合適的電阻應(yīng)基于電路的特性阻抗，允許能量耗散而不會造成過多的功率損失。

C≥L?I2V2spike

欠壓及緩解

欠壓是另一個會影響電動汽車高壓柵極驅(qū)動器性能的顯著問題。欠壓導致的柵極驅(qū)動器電壓不足會導致驅(qū)動器中功率晶體管切換不完整。這會降低驅(qū)動器功率晶體管的電源轉(zhuǎn)換過程的效率。欠壓影響柵極驅(qū)動器的另一種方式是通過降低開關(guān)速度導致功率晶體管產(chǎn)生開關(guān)損耗。開關(guān)損耗會增加開關(guān)事件期間耗散的能量，從而降低驅(qū)動器中晶體管的開關(guān)效率。在評估開關(guān)損耗時，可以考慮開關(guān)時間 (t sw )、漏極電流 (I ds )、開關(guān)頻率 (f sw ) 和漏源電壓 (V ds )，以更優(yōu)化電動汽車柵極驅(qū)動器中功率晶體管的開關(guān)特性。

Psw=12Vds×Ids×fsw×tsw

在緩解欠壓時，可以采取兩種常見方法來優(yōu)化柵極驅(qū)動器的性能。種方法是使用欠壓鎖定 (UVLO)，通過監(jiān)控電壓供應(yīng)來維持電壓閾值。如果電源電壓低于閾值，則驅(qū)動器將被禁用以避免操作不當。UVLO閾值 總結(jié)了柵極晶體管完全切換所需的電壓和設(shè)定的安全裕度，該安全裕度考慮了噪聲、公差和 UVLO 電路中的壓降等方面。

第二種方法是使用電源開關(guān)和線性穩(wěn)壓器，如低壓差穩(wěn)壓器 (LDO)。這些電源穩(wěn)壓器可確保柵極驅(qū)動器中功率晶體管的充分切換和功率損耗的降低。穩(wěn)壓器通常使用兩個電阻器來形成分壓器，其中電阻比決定了穩(wěn)壓后的輸出電壓。在穩(wěn)壓器的內(nèi)部參考電路中，我們還可以考慮其參考電壓 (V ref ) 來評估穩(wěn)壓電源電壓。在設(shè)計柵極驅(qū)動器的電源時，這一點至關(guān)重要，因為它能實現(xiàn)更、更穩(wěn)定的功率流，有助于保持電動汽車動力系統(tǒng)的整體性能和可靠性。

Vout=Vref(1+R2R1)

高壓柵極驅(qū)動器中的熱應(yīng)力

熱應(yīng)力表現(xiàn)為熱循環(huán)和過熱，當柵極驅(qū)動器及其開關(guān)晶體管的冷卻能力超出范圍時，就會發(fā)生熱應(yīng)力。高壓柵極驅(qū)動器過熱是由高開關(guān)頻率引起的，每次開關(guān)事件都會產(chǎn)生損耗，從而產(chǎn)生熱量。低效的熱管理技術(shù)也會導致高壓柵極驅(qū)動器過熱。

在設(shè)計過程中，冷卻系統(tǒng)往往受到空間限制，導致通風不良或散熱器設(shè)計不良。這使得產(chǎn)生的熱量難以消散，導致驅(qū)動器半導體性能下降和因熱膨脹而產(chǎn)生的機械應(yīng)力。當過熱導致半導體材料性能下降時，半導體晶格內(nèi)電荷載流子的散射會增加，從而增加開關(guān)裝置的導通電阻。這會增加傳導損耗并導致熱失控，如果不加以適當緩解，就會導致故障。另一方面，熱循環(huán)發(fā)生在負載條件發(fā)生變化時。在這種情況下，高壓柵極驅(qū)動器可能會通過頻繁的啟停操作而不是保持電動汽車電力需求穩(wěn)定的恒速驅(qū)動而受到熱循環(huán)。

通過優(yōu)化冷卻系統(tǒng)設(shè)計可以減輕熱應(yīng)力。設(shè)計散熱器時，必須考慮熱阻 (θ ja )，確保熱阻足夠低，以將結(jié)溫 (T J ) 保持在安全水平。通過考慮功率晶體管的總功耗，可以評估結(jié)溫以實現(xiàn)可靠的散熱器設(shè)計。更大的風扇和高效的通風系統(tǒng)與高效的散熱器設(shè)計相結(jié)合，可以大大減輕柵極驅(qū)動器中的熱應(yīng)力。

 

 

Tj=Ta+Ptotal×θja

提供高壓柵極驅(qū)動器中使用的功率晶體管的結(jié)溫較高，會導致晶體管導通電阻增加，從而產(chǎn)生傳導損耗。這會引起可靠性問題，例如加速半導體材料的老化，并終因電遷移 和氧化物擊穿而導致故障。