高壓柵極驅(qū)動(dòng)器對(duì)于確?？煽康乜刂齐妱?dòng)汽車中的電流至關(guān)重要。從控制逆變器的 IGBT 或 MOSFET 的開(kāi)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(dòng)器可確保對(duì)開(kāi)關(guān)事件進(jìn)行控制。電機(jī)控制單元和車載充電器也受益于這些驅(qū)動(dòng)器，使它們成為電動(dòng)汽車功能必不可少的。然而，這些高壓驅(qū)動(dòng)器并非萬(wàn)無(wú)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(dòng)器中的過(guò)壓和欠壓

常見(jiàn)的故障是過(guò)壓和欠壓。管理對(duì)于確保電動(dòng)汽車高壓柵極驅(qū)動(dòng)器的效率和可靠性至關(guān)重要。

過(guò)壓及緩解

要了解如何緩解此問(wèn)題，我們必須首先探究柵極驅(qū)動(dòng)器中過(guò)壓是如何發(fā)生的。在功率晶體管切換期間，負(fù)責(zé)管理電動(dòng)汽車電動(dòng)機(jī)功率流的高壓柵極驅(qū)動(dòng)器可能會(huì)因電感反沖而受到瞬態(tài)尖峰的影響。當(dāng)電機(jī)繞組斷電時(shí)，磁場(chǎng)的崩潰會(huì)導(dǎo)致電感反沖，從而產(chǎn)生高電壓尖峰。這種突然增加可能會(huì)給功率晶體管和柵極驅(qū)動(dòng)器帶來(lái)壓力，導(dǎo)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(guò)考慮電流變化率和電感負(fù)載（在本例中為電動(dòng)汽車的電機(jī)）來(lái)評(píng)估電壓尖峰。

高壓柵極驅(qū)動(dòng)器過(guò)壓的另一個(gè)原因是電動(dòng)汽車逆變器電路中高速開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的寄生電感?？梢酝ㄟ^(guò)考慮電流變化率和寄生電感來(lái)近似計(jì)算電壓過(guò)沖。

當(dāng)電壓超過(guò)開(kāi)關(guān)導(dǎo)體的柵極氧化物擊穿電壓時(shí)，柵極驅(qū)動(dòng)器中的過(guò)壓效應(yīng)可能會(huì)導(dǎo)致性短路。過(guò)壓的幅度與驅(qū)動(dòng)器元件上施加的應(yīng)力成正比。 高壓尖峰的電磁輻射會(huì)影響驅(qū)動(dòng)器效率。

過(guò)壓可通過(guò)瞬態(tài)電壓抑制(TVS)來(lái)緩解 。這涉及使用半導(dǎo)體器件（例如 TVS 二極管）作為電壓鉗位器件，當(dāng)瞬態(tài)電流超過(guò)額定閾值時(shí)，它們會(huì)為電流提供低阻抗路徑。在為高壓柵極驅(qū)動(dòng)器選擇 TVS 二極管時(shí)，請(qǐng)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(shí)間。

IPP=EtransientVC×tpulse

另一種緩解高壓柵極驅(qū)動(dòng)器過(guò)壓效應(yīng)的方法是使用 RC 緩沖電路，該電路通過(guò)串聯(lián)電阻和電容來(lái)抑制電壓尖峰。在電路設(shè)計(jì)期間，選擇能夠吸收電動(dòng)汽車電感負(fù)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(huì)造成過(guò)多的功率損失。

C≥L?I2V2spike

欠壓及緩解

欠壓是另一個(gè)會(huì)影響電動(dòng)汽車高壓柵極驅(qū)動(dòng)器性能的顯著問(wèn)題。欠壓導(dǎo)致的柵極驅(qū)動(dòng)器電壓不足會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器中功率晶體管切換不完整。這會(huì)降低驅(qū)動(dòng)器功率晶體管的電源轉(zhuǎn)換過(guò)程的效率。欠壓影響柵極驅(qū)動(dòng)器的另一種方式是通過(guò)降低開(kāi)關(guān)速度導(dǎo)致功率晶體管產(chǎn)生開(kāi)關(guān)損耗。開(kāi)關(guān)損耗會(huì)增加開(kāi)關(guān)事件期間耗散的能量，從而降低驅(qū)動(dòng)器中晶體管的開(kāi)關(guān)效率。在評(píng)估開(kāi)關(guān)損耗時(shí)，可以考慮開(kāi)關(guān)時(shí)間 (t sw )、漏極電流 (I ds )、開(kāi)關(guān)頻率 (f sw ) 和漏源電壓 (V ds )，以更優(yōu)化電動(dòng)汽車柵極驅(qū)動(dòng)器中功率晶體管的開(kāi)關(guān)特性。

Psw=12Vds×Ids×fsw×tsw

在緩解欠壓時(shí)，可以采取兩種常見(jiàn)方法來(lái)優(yōu)化柵極驅(qū)動(dòng)器的性能。種方法是使用欠壓鎖定 (UVLO)，通過(guò)監(jiān)控電壓供應(yīng)來(lái)維持電壓閾值。如果電源電壓低于閾值，則驅(qū)動(dòng)器將被禁用以避免操作不當(dāng)。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(kāi)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(dòng)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(gè)電阻器來(lái)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(lái)評(píng)估穩(wěn)壓電源電壓。在設(shè)計(jì)柵極驅(qū)動(dòng)器的電源時(shí)，這一點(diǎn)至關(guān)重要，因?yàn)樗軐?shí)現(xiàn)更、更穩(wěn)定的功率流，有助于保持電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的整體性能和可靠性。

Vout=Vref(1+R2R1)

高壓柵極驅(qū)動(dòng)器中的熱應(yīng)力

熱應(yīng)力表現(xiàn)為熱循環(huán)和過(guò)熱，當(dāng)柵極驅(qū)動(dòng)器及其開(kāi)關(guān)晶體管的冷卻能力超出范圍時(shí)，就會(huì)發(fā)生熱應(yīng)力。高壓柵極驅(qū)動(dòng)器過(guò)熱是由高開(kāi)關(guān)頻率引起的，每次開(kāi)關(guān)事件都會(huì)產(chǎn)生損耗，從而產(chǎn)生熱量。低效的熱管理技術(shù)也會(huì)導(dǎo)致高壓柵極驅(qū)動(dòng)器過(guò)熱。

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

通過(guò)優(yōu)化冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以減輕熱應(yīng)力。設(shè)計(jì)散熱器時(shí)，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(guò)考慮功率晶體管的總功耗，可以評(píng)估結(jié)溫以實(shí)現(xiàn)可靠的散熱器設(shè)計(jì)。更大的風(fēng)扇和高效的通風(fēng)系統(tǒng)與高效的散熱器設(shè)計(jì)相結(jié)合，可以大大減輕柵極驅(qū)動(dòng)器中的熱應(yīng)力。

 

 

Tj=Ta+Ptotal×θja

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