如何有效减轻高压电动汽车栅极驱动器的故障

高压栅极驱动器在确保电动汽车的电力流动可靠控制方面至关重要。从控制逆变器的IGBT或MOSFET的开关到监测和管理电池的充电状态、健康状况和热条件，高压驱动器确保对开关事件的精确控制。

 

电动机控制单元和车载充电器也受益于这些驱动器，使其成为电动汽车功能的重要组成部分。然而，这些高压驱动器并非完全不易故障，让我们来看看这些故障及其解决方案。

 

栅极驱动器中的过电压和欠电压

 

最常见的故障是过电压和欠电压。管理这些问题对于确保电动汽车高压栅极驱动器的效率和可靠性至关重要。

 

过电压及其缓解

 

要理解如何缓解此问题，我们首先需要探讨高压栅极驱动器中如何发生过电压。在功率晶体管切换期间，负责管理电动汽车电动机电力流动的高压栅极驱动器可能会因感应反冲而遭受瞬态尖峰。当电动机绕组失去能量时，磁场的坍塌会导致感应反冲，从而产生高电压尖峰。这种突然的增加可能会对功率晶体管和栅极驱动器造成压力，导致故障。

 

为了更好地分析电压尖峰的生成，我们可以利用伦茨定律，考虑电流变化率和感性负载——在这种情况下，就是电动汽车的电动机。

 

高压栅极驱动器中另一个造成过电压的原因是由于电动汽车逆变器电路中的高速切换产生的寄生电感。电压超调可以通过考虑电流变化率和寄生电感来估算。

 

栅极驱动器中的过电压效应可能导致永久性短路，当电压超过开关导体的门氧化物击穿电压时。过电压的幅度与对驱动器组件施加的压力成正比。高压尖峰的电磁辐射可能会干扰驱动器的效率。

 

可以通过瞬态电压抑制器(TVS)来缓解过电压问题。这涉及使用半导体设备，例如TVS二极管，作为电压钳位设备，在瞬态电流超过额定阈值时为电流提供低阻抗路径。在为高压栅极驱动器选择TVS二极管时，需要考虑二极管在瞬态事件中可以处理的峰值脉冲电流以及二极管吸收和耗散的能量。根据钳位电压和瞬态的功率，可以轻松估算TVS二极管的电流阈值，其中(tpulse)是瞬态的脉冲持续时间。

另一种缓解高压栅极驱动器中过电压效应的方法是使用RC吸收电路，通过串联的电阻器和电容器来抑制电压尖峰。在电路设计中，选择一个能够吸收电动汽车感性负载能量的电容器以确保性能。根据允许的最大电压尖峰、感性和其峰值电流，可以轻松估算在吸收电路中使用的电容值。另一方面，选择电路的合适电阻应基于电路的特征阻抗，以允许能量耗散而不会过度损失功率。

欠电压及其缓解

欠电压是另一个显著问题，可能会影响电动汽车中高压栅极驱动器的性能。由于欠电压导致的栅极驱动器电压不足可能导致功率晶体管的切换不完全，这降低了驱动器中功率转换过程的效率。欠电压对栅极驱动器的另一个影响是通过降低切换速度导致功率晶体管的切换损耗。

切换损耗通过增加在切换事件中耗散的能量，减少了驱动中晶体管的切换效率。在评估电动汽车栅极驱动器中功率晶体管的切换损耗时，可以考虑切换时间(tsw)、漏电流(Ids)、切换频率(fsw)和漏源电压(Vds)等因素，以优化切换特性。

在缓解欠电压时，可以采取两种常见的方法来优化栅极驱动器的性能。第一种方法是使用欠电压锁定(UVLO)，通过监控电源电压来维持最低电压阈值。如果电源电压降到最低阈值以下，驱动器将被禁用以避免不当操作。UVLO阈值总结了完成门晶体管切换所需的最低电压和考虑噪声、容忍度以及UVLO电路中电压降等因素的安全余量。

第二种方法是使用电源开关和线性稳压器，例如低压差(LDO)。这些电压稳压器确保了栅极驱动器中的功率晶体管切换充足，并减少功率损失。稳压器通常使用两个电阻器形成电压分压器，其中电阻比例决定了稳压后的输出电压。在电压稳压器的内部参考电路中，我们还可以考虑其参考电压(Vref)来评估稳压供电电压。这在设计栅极驱动器的电源时至关重要，以确保更精确和稳定的电力流动，从而维护电动汽车动力系统的整体性能和可靠性。

高压栅极驱动器中的热应力

热应力通过热循环和过热表现出来，当栅极驱动器及其切换晶体管的冷却能力超出时便会发生。高压栅极驱动器的过热是由于高切换频率导致的，每次切换事件都引入损耗并产生热量。低效的热管理技术也会导致高压栅极驱动器的过热。

在设计过程中，冷却系统的空间通常受到限制，导致通风不良或散热器设计不当。这使得产生的热量难以散发，导致驱动器的半导体降解，以及由于热膨胀引起的机械应力。当多余的热量降解半导体材料时，载流子在半导体晶格中的散射增加，导致开关器件的导通电阻增加。

这增加了导通损失，并可能导致热失控，如果不加以缓解，最后可能导致故障。另一方面，热循环发生在负载条件变化时。在这种情况下，高压栅极驱动器可能因频繁的启停操作而遭受热循环，而不是保持稳定速度驾驶以保持电动汽车的功率需求稳定。

通过优化冷却系统设计，可以缓解热应力。在设计散热器时，必须考虑热阻(θja)，确保其足够低以保持结温(TJ)在安全水平内。通过考虑功率晶体管所耗散的总功率，可以评估结温，以实现可靠的散热器设计。更大的风扇和高效的通风以及高效的散热器设计可以大大减轻栅极驱动器中的热应力。

高压栅极驱动器中使用的功率晶体管的较高结温可能会导致由于晶体管导通电阻增加而产生的导通损失。这导致了可靠性问题，例如半导体材料的加速老化，以及因电迁移和氧化物击穿而最终导致的故障。

用于热应力管理的散热器设计

 

可靠的高压栅极驱动器

 

可靠的高压栅极驱动器确保电动汽车中的稳定和高效的电力控制。随着电动汽车技术的发展，减轻驱动器中的常见故障成为延长使用寿命和优化性能的必要条件。因此，工程师可以从中获得洞察，了解如何缓解这些故障，以设计出更可靠的栅极驱动器。