减轻高压电动汽车栅极驱动器故障

高压栅极驱动器对于确保可靠地控制电动汽车中的电流至关重要。从控制逆变器的 IGBT 或 MOSFET 的开关到监控和管理电池的充电状态、健康状况和热条件，高压驱动器可确保对开关事件进行控制。电机控制单元和车载充电器也受益于这些驱动器，使它们成为电动汽车功能必不可少的。然而，这些高压驱动器并非万无一失。

让我们分析一下这些失败的原因以及如何解决它们。
栅极驱动器中的过压和欠压
常见的故障是过压和欠压。管理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。
过压及缓解

要了解如何缓解此问题，我们必须首先探究栅极驱动器中过压是如何发生的。在功率晶体管切换期间，负责管理电动汽车电动机功率流的高压栅极驱动器可能会因电感反冲而受到瞬态尖峰的影响。当电机绕组断电时，磁场的崩溃会导致电感反冲，从而产生高电压尖峰。这种突然增加可能会给功率晶体管和栅极驱动器带来压力，导致故障。

为了更好地分解电压尖峰的产生，我们可以使用楞次定律， 通过考虑电流变化率和电感负载（在本例中为电动汽车的电机）来评估电压尖峰。

高压栅极驱动器过压的另一个原因是电动汽车逆变器电路中高速开关产生的寄生电感。可以通过考虑电流变化率和寄生电感来近似计算电压过冲。

当电压超过开关导体的栅极氧化物击穿电压时，栅极驱动器中的过压效应可能会导致性短路。过压的幅度与驱动器元件上施加的应力成正比。 高压尖峰的电磁辐射会影响驱动器效率。

过压可通过瞬态电压抑制(TVS)来缓解 。这涉及使用半导体器件（例如 TVS 二极管）作为电压钳位器件，当瞬态电流超过额定阈值时，它们会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，请考虑二极管在瞬态事件期间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功率，可以轻松估算 TVS 二极管的电流阈值，其中 (t pulse ) 是瞬态脉冲持续时间。　

    IPP=EtransientVC×tpulse

另一种缓解高压栅极驱动器过压效应的方法是使用 RC 缓冲电路，该电路通过串联电阻和电容来抑制电压尖峰。在电路设计期间，选择能够吸收电动汽车电感负载能量的电容以确保性能。根据允许的电压尖峰以及电感及其峰值电流，可以轻松估算缓冲电路中要使用的电容。另一方面，为电路选择合适的电阻应基于电路的特性阻抗，允许能量耗散而不会造成过多的功率损失。　

      C≥L?I2V2spike

欠压及缓解

欠压是另一个会影响电动汽车高压栅极驱动器性能的显著问题。欠压导致的栅极驱动器电压不足会导致驱动器中功率晶体管切换不完整。这会降低驱动器功率晶体管的电源转换过程的效率。欠压影响栅极驱动器的另一种方式是通过降低开关速度导致功率晶体管产生开关损耗。开关损耗会增加开关事件期间耗散的能量，从而降低驱动器中晶体管的开关效率。在评估开关损耗时，可以考虑开关时间 (t sw )、漏极电流 (I ds )、开关频率 (f sw ) 和漏源电压 (V ds )，以更优化电动汽车栅极驱动器中功率晶体管的开关特性。　 

     Psw=12Vds×Ids×fsw×tsw　

在缓解欠压时，可以采取两种常见方法来优化栅极驱动器的性能。种方法是使用欠压锁定 (UVLO)，通过监控电压供应来维持电压阈值。如果电源电压低于阈值，则驱动器将被禁用以避免操作不当。UVLO阈值 总结了栅极晶体管完全切换所需的电压和设定的安全裕度，该安全裕度考虑了噪声、公差和 UVLO 电路中的压降等方面。

第二种方法是使用电源开关和线性稳压器，如低压差稳压器 (LDO)。这些电源稳压器可确保栅极驱动器中功率晶体管的充分切换和功率损耗的降低。稳压器通常使用两个电阻器来形成分压器，其中电阻比决定了稳压后的输出电压。在稳压器的内部参考电路中，我们还可以考虑其参考电压 (V ref ) 来评估稳压电源电压。在设计栅极驱动器的电源时，这一点至关重要，因为它能实现更、更稳定的功率流，有助于保持电动汽车动力系统的整体性能和可靠性。

      Vout=Vref(1+R2R1)

高压栅极驱动器中的热应力

热应力表现为热循环和过热，当栅极驱动器及其开关晶体管的冷却能力超出范围时，就会发生热应力。高压栅极驱动器过热是由高开关频率引起的，每次开关事件都会产生损耗，从而产生热量。低效的热管理技术也会导致高压栅极驱动器过热。

在设计过程中，冷却系统往往受到空间限制，导致通风不良或散热器设计不良。这使得产生的热量难以消散，导致驱动器半导体性能下降和因热膨胀而产生的机械应力。当过热导致半导体材料性能下降时，半导体晶格内电荷载流子的散射会增加，从而增加开关装置的导通电阻。这会增加传导损耗并导致热失控，如果不加以适当缓解，就会导致故障。另一方面，热循环发生在负载条件发生变化时。在这种情况下，高压栅极驱动器可能会通过频繁的启停操作而不是保持电动汽车电力需求稳定的恒速驱动而受到热循环。

通过优化冷却系统设计可以减轻热应力。设计散热器时，必须考虑热阻 (θ ja )，确保热阻足够低，以将结温 (T J ) 保持在安全水平。通过考虑功率晶体管的总功耗，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系统与高效的散热器设计相结合，可以大大减轻栅极驱动器中的热应力。

Tj=Ta+Ptotal×θja

提供高压栅极驱动器中使用的功率晶体管的结温较高，会导致晶体管导通电阻增加，从而产生传导损耗。这会引起可靠性问题，例如加速半导体材料的老化，并终因电迁移 和氧化物击穿而导致故障。