高壓柵極驅(qū)動器對于確保電動汽車中電力流動的可靠控制至關(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)、健康狀況和熱狀態(tài)，高壓驅(qū)動器確保對開關(guān)事件的控制。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不可或缺的部分。

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

要了解如何緩解這一問題，我們首先必須探討門驅(qū)動器中過壓是如何發(fā)生的。在功率晶體管切換過程中，負責(zé)管理電動汽車電機中功率流動的高壓門驅(qū)動器可能會因為電感反沖而受到瞬態(tài)尖峰的影響。當(dāng)電機繞組去磁化時，磁場崩潰導(dǎo)致電感反沖，產(chǎn)生電壓的高峰。這種突然的增加會應(yīng)力功率晶體管和門驅(qū)動器，導(dǎo)致故障。

為了更好地分解電壓尖峰的產(chǎn)生，我們可以通過考慮電流變化率和電感負載（在這種情況下，電動汽車的電機）來使用 Lenz 定律評估電壓尖峰。

高壓柵極驅(qū)動器中過電壓的另一個原因是電動汽車逆變器電路中高速切換產(chǎn)生的寄生電感。可以通過考慮電流變化率和寄生電感來近似電壓過沖。

柵極驅(qū)動器中過電壓的影響可能導(dǎo)致當(dāng)電壓超過開關(guān)導(dǎo)體的柵極氧化層擊穿電壓時發(fā)生性短路。過電壓的幅度與對驅(qū)動器組件施加的應(yīng)力成正比。高壓尖峰的電磁輻射可能干擾驅(qū)動器的效率。

過壓可以通過瞬態(tài)電壓抑制（TVS）來緩解。這涉及到使用半導(dǎo)體器件，如 TVS 二極管，作為電壓鉗位器件，當(dāng)瞬態(tài)電流超過額定閾值時，為電流提供低阻抗路徑。在選擇用于高壓柵極驅(qū)動器的 TVS 二極管時，應(yīng)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散發(fā)的能量。根據(jù)鉗位電壓和瞬態(tài)的功率，可以輕松估算 TVS 二極管的電流閾值，其中(t pulse )是瞬態(tài)的脈沖持續(xù)時間。

IPP=EtransientVC×tpulse

降低高壓柵極驅(qū)動器過壓效應(yīng)的另一種方法是使用 RC 吸收電路，通過串聯(lián)電阻和電容器來抑制電壓尖峰。在設(shè)計電路時，選擇一個能夠吸收電動汽車電感負載能量的電容器，以確保性能。根據(jù)允許的電壓尖峰、電感及其峰值電流，可以輕松計算出用于吸收電路的電容量。另一方面，選擇電路的正確電阻應(yīng)基于電路的特性阻抗，允許能量耗散而不造成過多的功率損失。

C≥L?I2V2spike

低壓及緩解措施

低壓是影響電動汽車高壓柵極驅(qū)動器性能的另一個顯著問題。由于低壓導(dǎo)致的柵極驅(qū)動器電壓不足，可能導(dǎo)致驅(qū)動器中功率晶體管的開關(guān)不完整。這降低了驅(qū)動器功率晶體管功率轉(zhuǎn)換過程的效率。低壓對柵極驅(qū)動器的影響還有通過降低開關(guān)速度導(dǎo)致功率晶體管的開關(guān)損耗。開關(guān)損耗通過增加開關(guān)事件中耗散的能量量，降低了驅(qū)動器晶體管的開關(guān)效率。在評估開關(guān)損耗時，可以考慮開關(guān)時間（t sw ）、漏電流（I ds ）、開關(guān)頻率（f sw ）和漏源電壓（V ds ），以實現(xiàn)電動汽車柵極驅(qū)動器中功率晶體管的更優(yōu)化開關(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。種方法使用欠壓鎖定（UVLO），通過監(jiān)控電壓供應(yīng)來維持一個電壓閾值。如果供電電壓低于閾值，則禁用驅(qū)動器以避免操作不足。UVLO 閾值包括門晶體管完全切換所需的電壓以及考慮到噪聲、公差和 UVLO 電路中的電壓降等因素的安全余量。

第二種方法采用功率開關(guān)和線性穩(wěn)壓器，如低壓差（LDO）。這些穩(wěn)壓器確保了足夠的功率晶體管開關(guān)和降低柵極驅(qū)動器的功率損耗。穩(wěn)壓器通常使用兩個電阻形成電壓分壓器，其中電阻比決定了調(diào)節(jié)后的輸出電壓。在電壓調(diào)節(jié)器的內(nèi)部參考電路中，我們還可以考慮其參考電壓（V ref ）來評估調(diào)節(jié)后的供電電壓。這在設(shè)計柵極驅(qū)動器的電源時對于更和穩(wěn)定的功率流動至關(guān)重要，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

 

當(dāng)柵極驅(qū)動器和它們的開關(guān)晶體管的散熱能力超過時，會通過熱循環(huán)和過熱產(chǎn)生熱應(yīng)力。高壓柵極驅(qū)動器過熱是由于高開關(guān)頻率，其中每個開關(guān)事件都會引入損耗并產(chǎn)生熱量。不有效的熱管理技術(shù)也會導(dǎo)致高壓柵極驅(qū)動器過熱。

在設(shè)計過程中，冷卻系統(tǒng)通常受空間限制，導(dǎo)致通風(fēng)不良或散熱片設(shè)計不佳。這使得產(chǎn)生的熱量難以散發(fā)，導(dǎo)致驅(qū)動器的半導(dǎo)體性能下降和因熱膨脹引起的機械應(yīng)力。當(dāng)過熱使半導(dǎo)體材料劣化時，半導(dǎo)體晶格中的載流子散射增加，從而增加開關(guān)器件的導(dǎo)通電阻。這增加了傳導(dǎo)損耗，并可能導(dǎo)致熱失控，如果不適當(dāng)緩解，則會導(dǎo)致故障。另一方面，當(dāng)負載條件發(fā)生變化時，會發(fā)生熱循環(huán)。在這種情況下，高壓柵極驅(qū)動器可能受到熱循環(huán)的影響，而不是保持電動汽車功率需求穩(wěn)定的恒速驅(qū)動，而是通過頻繁的啟動和停止操作。

熱應(yīng)力可以通過優(yōu)化冷卻系統(tǒng)設(shè)計來減輕。在設(shè)計散熱器時，必須考慮熱阻（θ ja ），確保其足夠低，以保持結(jié)溫（T J ）在安全水平內(nèi)。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(fēng)扇和高效的通風(fēng)以及高效的散熱器設(shè)計，可以大大減輕門驅(qū)動器中的熱應(yīng)力。

Tj=Ta+Ptotal×θja