高压电动汽车门驱动器故障的缓解

　　高压栅极驱动器对于确保电动汽车中电力流动的可靠控制至关重要。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、健康状况和热状态，高压驱动器确保对开关事件的控制。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不可或缺的部分。
　　常见的故障是过压和欠压。管理对于确保电动汽车高压门驱动器的效率和可靠性至关重要。
　　要了解如何缓解这一问题，我们首先必须探讨门驱动器中过压是如何发生的。在功率晶体管切换过程中，负责管理电动汽车电机中功率流动的高压门驱动器可能会因为电感反冲而受到瞬态尖峰的影响。当电机绕组去磁化时，磁场崩溃导致电感反冲，产生电压的高峰。这种突然的增加会应力功率晶体管和门驱动器，导致故障。
　　为了更好地分解电压尖峰的产生，我们可以通过考虑电流变化率和电感负载（在这种情况下，电动汽车的电机）来使用 Lenz 定律评估电压尖峰。
　　高压栅极驱动器中过电压的另一个原因是电动汽车逆变器电路中高速切换产生的寄生电感。可以通过考虑电流变化率和寄生电感来近似电压过冲。
　　栅极驱动器中过电压的影响可能导致当电压超过开关导体的栅极氧化层击穿电压时发生性短路。过电压的幅度与对驱动器组件施加的应力成正比。高压尖峰的电磁辐射可能干扰驱动器的效率。

　　过压可以通过瞬态电压抑制（TVS）来缓解。这涉及到使用半导体器件，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，为电流提供低阻抗路径。在选择用于高压栅极驱动器的 TVS 二极管时，应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散发的能量。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(t pulse )是瞬态的脉冲持续时间。

IPP=EtransientVC×tpulse

　　降低高压栅极驱动器过压效应的另一种方法是使用 RC 吸收电路，通过串联电阻和电容器来抑制电压尖峰。在设计电路时，选择一个能够吸收电动汽车电感负载能量的电容器，以确保性能。根据允许的电压尖峰、电感及其峰值电流，可以轻松计算出用于吸收电路的电容量。另一方面，选择电路的正确电阻应基于电路的特性阻抗，允许能量耗散而不造成过多的功率损失。

C≥L?I2V2spike

　　低压及缓解措施

　　低压是影响电动汽车高压栅极驱动器性能的另一个显著问题。由于低压导致的栅极驱动器电压不足，可能导致驱动器中功率晶体管的开关不完整。这降低了驱动器功率晶体管功率转换过程的效率。低压对栅极驱动器的影响还有通过降低开关速度导致功率晶体管的开关损耗。开关损耗通过增加开关事件中耗散的能量量，降低了驱动器晶体管的开关效率。在评估开关损耗时，可以考虑开关时间（t sw ）、漏电流（I ds ）、开关频率（f sw ）和漏源电压（V ds ），以实现电动汽车栅极驱动器中功率晶体管的更优化开关特性。　

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。种方法使用欠压锁定（UVLO），通过监控电压供应来维持一个电压阈值。如果供电电压低于阈值，则禁用驱动器以避免操作不足。UVLO 阈值包括门晶体管完全切换所需的电压以及考虑到噪声、公差和 UVLO 电路中的电压降等因素的安全余量。

　　第二种方法采用功率开关和线性稳压器，如低压差（LDO）。这些稳压器确保了足够的功率晶体管开关和降低栅极驱动器的功率损耗。稳压器通常使用两个电阻形成电压分压器，其中电阻比决定了调节后的输出电压。在电压调节器的内部参考电路中，我们还可以考虑其参考电压（V ref ）来评估调节后的供电电压。这在设计栅极驱动器的电源时对于更和稳定的功率流动至关重要，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

　　当栅极驱动器和它们的开关晶体管的散热能力超过时，会通过热循环和过热产生热应力。高压栅极驱动器过热是由于高开关频率，其中每个开关事件都会引入损耗并产生热量。不有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，冷却系统通常受空间限制，导致通风不良或散热片设计不佳。这使得产生的热量难以散发，导致驱动器的半导体性能下降和因热膨胀引起的机械应力。当过热使半导体材料劣化时，半导体晶格中的载流子散射增加，从而增加开关器件的导通电阻。这增加了传导损耗，并可能导致热失控，如果不适当缓解，则会导致故障。另一方面，当负载条件发生变化时，会发生热循环。在这种情况下，高压栅极驱动器可能受到热循环的影响，而不是保持电动汽车功率需求稳定的恒速驱动，而是通过频繁的启动和停止操作。

　　热应力可以通过优化冷却系统设计来减轻。在设计散热器时，必须考虑热阻（θ ja ），确保其足够低，以保持结温（T J ）在安全水平内。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以及高效的散热器设计，可以大大减轻门驱动器中的热应力。

Tj=Ta+Ptotal×θja

　　图 1. 热应力管理散热器设计。图片由 Pixabay 提供