如何有效減輕高壓電動汽車柵極驅(qū)動器的故障

高壓柵極驅(qū)動器在確保電動汽車的電力流動可靠控制方面至關(guān)重要。從控制逆變器的IGBT或MOSFET的開關(guān)到監(jiān)測和管理電池的充電狀態(tài)、健康狀況和熱條件，高壓驅(qū)動器確保對開關(guān)事件的精確控制。

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

柵極驅(qū)動器中的過電壓和欠電壓

最常見的故障是過電壓和欠電壓。管理這些問題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。

過電壓及其緩解

要理解如何緩解此問題，我們首先需要探討高壓柵極驅(qū)動器中如何發(fā)生過電壓。在功率晶體管切換期間，負(fù)責(zé)管理電動汽車電動機(jī)電力流動的高壓柵極驅(qū)動器可能會因感應(yīng)反沖而遭受瞬態(tài)尖峰。當(dāng)電動機(jī)繞組失去能量時，磁場的坍塌會導(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對功率晶體管和柵極驅(qū)動器造成壓力，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，就是電動汽車的電動機(jī)。

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

柵極驅(qū)動器中的過電壓效應(yīng)可能導(dǎo)致永久性短路，當(dāng)電壓超過開關(guān)導(dǎo)體的門氧化物擊穿電壓時。過電壓的幅度與對驅(qū)動器組件施加的壓力成正比。高壓尖峰的電磁輻射可能會干擾驅(qū)動器的效率。

可以通過瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)來緩解過電壓問題。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)電流超過額定閾值時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，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)時間。

另一種緩解高壓柵極驅(qū)動器中過電壓效應(yīng)的方法是使用RC吸收電路，通過串聯(lián)的電阻器和電容器來抑制電壓尖峰。在電路設(shè)計中，選擇一個能夠吸收電動汽車感性負(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過度損失功率。

欠電壓及其緩解

欠電壓是另一個顯著問題，可能會影響電動汽車中高壓柵極驅(qū)動器的性能。由于欠電壓導(dǎo)致的柵極驅(qū)動器電壓不足可能導(dǎo)致功率晶體管的切換不完全，這降低了驅(qū)動器中功率轉(zhuǎn)換過程的效率。欠電壓對柵極驅(qū)動器的另一個影響是通過降低切換速度導(dǎo)致功率晶體管的切換損耗。

切換損耗通過增加在切換事件中耗散的能量，減少了驅(qū)動中晶體管的切換效率。在評估電動汽車柵極驅(qū)動器中功率晶體管的切換損耗時，可以考慮切換時間(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，可以采取兩種常見的方法來優(yōu)化柵極驅(qū)動器的性能。第一種方法是使用欠電壓鎖定(UVLO)，通過監(jiān)控電源電壓來維持最低電壓閾值。如果電源電壓降到最低閾值以下，驅(qū)動器將被禁用以避免不當(dāng)操作。UVLO閾值總結(jié)了完成門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)來評估穩(wěn)壓供電電壓。這在設(shè)計柵極驅(qū)動器的電源時至關(guān)重要，以確保更精確和穩(wěn)定的電力流動，從而維護(hù)電動汽車動力系統(tǒng)的整體性能和可靠性。

高壓柵極驅(qū)動器中的熱應(yīng)力

熱應(yīng)力通過熱循環(huán)和過熱表現(xiàn)出來，當(dāng)柵極驅(qū)動器及其切換晶體管的冷卻能力超出時便會發(fā)生。高壓柵極驅(qū)動器的過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)也會導(dǎo)致高壓柵極驅(qū)動器的過熱。

在設(shè)計過程中，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)計不當(dāng)。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，載流子在半導(dǎo)體晶格中的散射增加，導(dǎo)致開關(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。在這種情況下，高壓柵極驅(qū)動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汽車的功率需求穩(wěn)定。

通過優(yōu)化冷卻系統(tǒng)設(shè)計，可以緩解熱應(yīng)力。在設(shè)計散熱器時，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)。通過考慮功率晶體管所耗散的總功率，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)計可以大大減輕柵極驅(qū)動器中的熱應(yīng)力。

高壓柵極驅(qū)動器中使用的功率晶體管的較高結(jié)溫可能會導(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)動器

可靠的高壓柵極驅(qū)動器確保電動汽車中的穩(wěn)定和高效的電力控制。隨著電動汽車技術(shù)的發(fā)展，減輕驅(qū)動器中的常見故障成為延長使用壽命和優(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)計出更可靠的柵極驅(qū)動器。