高壓柵極驅(qū)動(dòng)器在確保電動(dòng)汽車(chē)的電力流動(dòng)可靠控制方面至關(guān)重要。從控制逆變器的IGBT或MOSFET的開(kāi)關(guān)到監(jiān)測(cè)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)器確保對(duì)開(kāi)關(guān)事件的精確控制。

電動(dòng)機(jī)控制單元和車(chē)載充電器也受益于這些驅(qū)動(dòng)器，使其成為電動(dòng)汽車(chē)功能的重要組成部分。然而，這些高壓驅(qū)動(dòng)器并非完全不易故障，讓我們來(lái)看看這些故障及其解決方案。

柵極驅(qū)動(dòng)器中的過(guò)電壓和欠電壓

最常見(jiàn)的故障是過(guò)電壓和欠電壓。管理這些問(wèn)題對(duì)于確保電動(dòng)汽車(chē)高壓柵極驅(qū)動(dòng)器的效率和可靠性至關(guān)重要。

過(guò)電壓及其緩解

要理解如何緩解此問(wèn)題，我們首先需要探討高壓柵極驅(qū)動(dòng)器中如何發(fā)生過(guò)電壓。在功率晶體管切換期間，負(fù)責(zé)管理電動(dòng)汽車(chē)電動(dòng)機(jī)電力流動(dòng)的高壓柵極驅(qū)動(dòng)器可能會(huì)因感應(yīng)反沖而遭受瞬態(tài)尖峰。當(dāng)電動(dòng)機(jī)繞組失去能量時(shí)，磁場(chǎng)的坍塌會(huì)導(dǎo)致感應(yīng)反沖，從而產(chǎn)生高電壓尖峰。這種突然的增加可能會(huì)對(duì)功率晶體管和柵極驅(qū)動(dòng)器造成壓力，導(dǎo)致故障。

為了更好地分析電壓尖峰的生成，我們可以利用倫茨定律，考慮電流變化率和感性負(fù)載——在這種情況下，就是電動(dòng)汽車(chē)的電動(dòng)機(jī)。

高壓柵極驅(qū)動(dòng)器中另一個(gè)造成過(guò)電壓的原因是由于電動(dòng)汽車(chē)逆變器電路中的高速切換產(chǎn)生的寄生電感。電壓超調(diào)可以通過(guò)考慮電流變化率和寄生電感來(lái)估算。

柵極驅(qū)動(dòng)器中的過(guò)電壓效應(yīng)可能導(dǎo)致永久性短路，當(dāng)電壓超過(guò)開(kāi)關(guān)導(dǎo)體的門(mén)氧化物擊穿電壓時(shí)。過(guò)電壓的幅度與對(duì)驅(qū)動(dòng)器組件施加的壓力成正比。高壓尖峰的電磁輻射可能會(huì)干擾驅(qū)動(dòng)器的效率。

可以通過(guò)瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)來(lái)緩解過(guò)電壓?jiǎn)栴}。這涉及使用半導(dǎo)體設(shè)備，例如TVS二極管，作為電壓鉗位設(shè)備，在瞬態(tài)電流超過(guò)額定閾值時(shí)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)，需要考慮二極管在瞬態(tài)事件中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)的功率，可以輕松估算TVS二極管的電流閾值，其中(tpulse)是瞬態(tài)的脈沖持續(xù)時(shí)間。

另一種緩解高壓柵極驅(qū)動(dòng)器中過(guò)電壓效應(yīng)的方法是使用RC吸收電路，通過(guò)串聯(lián)的電阻器和電容器來(lái)抑制電壓尖峰。在電路設(shè)計(jì)中，選擇一個(gè)能夠吸收電動(dòng)汽車(chē)感性負(fù)載能量的電容器以確保性能。根據(jù)允許的最大電壓尖峰、感性和其峰值電流，可以輕松估算在吸收電路中使用的電容值。另一方面，選擇電路的合適電阻應(yīng)基于電路的特征阻抗，以允許能量耗散而不會(huì)過(guò)度損失功率。

欠電壓及其緩解

欠電壓是另一個(gè)顯著問(wèn)題，可能會(huì)影響電動(dòng)汽車(chē)中高壓柵極驅(qū)動(dòng)器的性能。由于欠電壓導(dǎo)致的柵極驅(qū)動(dòng)器電壓不足可能導(dǎo)致功率晶體管的切換不完全，這降低了驅(qū)動(dòng)器中功率轉(zhuǎn)換過(guò)程的效率。欠電壓對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)器的另一個(gè)影響是通過(guò)降低切換速度導(dǎo)致功率晶體管的切換損耗。

切換損耗通過(guò)增加在切換事件中耗散的能量，減少了驅(qū)動(dòng)中晶體管的切換效率。在評(píng)估電動(dòng)汽車(chē)柵極驅(qū)動(dòng)器中功率晶體管的切換損耗時(shí)，可以考慮切換時(shí)間(tsw)、漏電流(Ids)、切換頻率(fsw)和漏源電壓(Vds)等因素，以優(yōu)化切換特性。

在緩解欠電壓時(shí)，可以采取兩種常見(jiàn)的方法來(lái)優(yōu)化柵極驅(qū)動(dòng)器的性能。第一種方法是使用欠電壓鎖定(UVLO)，通過(guò)監(jiān)控電源電壓來(lái)維持最低電壓閾值。如果電源電壓降到最低閾值以下，驅(qū)動(dòng)器將被禁用以避免不當(dāng)操作。UVLO閾值總結(jié)了完成門(mén)晶體管切換所需的最低電壓和考慮噪聲、容忍度以及UVLO電路中電壓降等因素的安全余量。

第二種方法是使用電源開(kāi)關(guān)和線性穩(wěn)壓器，例如低壓差(LDO)。這些電壓穩(wěn)壓器確保了柵極驅(qū)動(dòng)器中的功率晶體管切換充足，并減少功率損失。穩(wěn)壓器通常使用兩個(gè)電阻器形成電壓分壓器，其中電阻比例決定了穩(wěn)壓后的輸出電壓。在電壓穩(wěn)壓器的內(nèi)部參考電路中，我們還可以考慮其參考電壓(Vref)來(lái)評(píng)估穩(wěn)壓供電電壓。這在設(shè)計(jì)柵極驅(qū)動(dòng)器的電源時(shí)至關(guān)重要，以確保更精確和穩(wěn)定的電力流動(dòng)，從而維護(hù)電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的整體性能和可靠性。

高壓柵極驅(qū)動(dòng)器中的熱應(yīng)力

熱應(yīng)力通過(guò)熱循環(huán)和過(guò)熱表現(xiàn)出來(lái)，當(dāng)柵極驅(qū)動(dòng)器及其切換晶體管的冷卻能力超出時(shí)便會(huì)發(fā)生。高壓柵極驅(qū)動(dòng)器的過(guò)熱是由于高切換頻率導(dǎo)致的，每次切換事件都引入損耗并產(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)器的過(guò)熱。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，冷卻系統(tǒng)的空間通常受到限制，導(dǎo)致通風(fēng)不良或散熱器設(shè)計(jì)不當(dāng)。這使得產(chǎn)生的熱量難以散發(fā)，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器的半導(dǎo)體降解，以及由于熱膨脹引起的機(jī)械應(yīng)力。當(dāng)多余的熱量降解半導(dǎo)體材料時(shí)，載流子在半導(dǎo)體晶格中的散射增加，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通電阻增加。

這增加了導(dǎo)通損失，并可能導(dǎo)致熱失控，如果不加以緩解，最后可能導(dǎo)致故障。另一方面，熱循環(huán)發(fā)生在負(fù)載條件變化時(shí)。在這種情況下，高壓柵極驅(qū)動(dòng)器可能因頻繁的啟停操作而遭受熱循環(huán)，而不是保持穩(wěn)定速度駕駛以保持電動(dòng)汽車(chē)的功率需求穩(wěn)定。

通過(guò)優(yōu)化冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以緩解熱應(yīng)力。在設(shè)計(jì)散熱器時(shí)，必須考慮熱阻(θja)，確保其足夠低以保持結(jié)溫(TJ)在安全水平內(nèi)。通過(guò)考慮功率晶體管所耗散的總功率，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)以及高效的散熱器設(shè)計(jì)可以大大減輕柵極驅(qū)動(dòng)器中的熱應(yīng)力。

高壓柵極驅(qū)動(dòng)器中使用的功率晶體管的較高結(jié)溫可能會(huì)導(dǎo)致由于晶體管導(dǎo)通電阻增加而產(chǎn)生的導(dǎo)通損失。這導(dǎo)致了可靠性問(wèn)題，例如半導(dǎo)體材料的加速老化，以及因電遷移和氧化物擊穿而最終導(dǎo)致的故障。

可靠的高壓柵極驅(qū)動(dòng)器

可靠的高壓柵極驅(qū)動(dòng)器確保電動(dòng)汽車(chē)中的穩(wěn)定和高效的電力控制。隨著電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展，減輕驅(qū)動(dòng)器中的常見(jiàn)故障成為延長(zhǎng)使用壽命和優(yōu)化性能的必要條件。因此，工程師可以從中獲得洞察，了解如何緩解這些故障，以設(shè)計(jì)出更可靠的柵極驅(qū)動(dòng)器。