提高 xEV 牽引逆變器系統(tǒng)的安全性

電動汽車設(shè)計人員可以通過監(jiān)控柵極電壓閾值來提高牽引逆變器系統(tǒng)的安全性和可靠性。

當(dāng)消費者購買汽車時，他們認為設(shè)計工程師盡職盡責(zé)地創(chuàng)造了一款安全的產(chǎn)品。為了達到必要的安全水平，特別是在國際標(biāo)準(zhǔn)化組織 (ISO) 26262 標(biāo)準(zhǔn)方面，車輛內(nèi)的子系統(tǒng)(例如牽引逆變器)必須包括內(nèi)部診斷和保護功能，以幫助檢測潛在的故障模式。

一個備受關(guān)注的逆變器子系統(tǒng)是功率級。除功率模塊外，功率級還包括集成半導(dǎo)體器件，例如隔離式偏置電源、柵極驅(qū)動器和電源開關(guān)。該模塊的開關(guān)方案有助于將電池中的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，從而高效可靠地驅(qū)動電動汽車的電機。在驅(qū)動這些電源開關(guān)時，有幾個原因需要監(jiān)控它們的狀態(tài)或狀況以及這樣做的不同方法。

開關(guān)保護和診斷的重要性

由于碳化硅 (SiC) 金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 或絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 功率模塊對車輛的運行和效率非常重要，因此設(shè)計人員必須仔細考慮如何正確驅(qū)動它們。實施全面的故障機制分析對于創(chuàng)建安全可靠的產(chǎn)品是必要的。

逆變器系統(tǒng)必須處理一長串故障場景。例如，電源開關(guān)短路可能表明電源開關(guān)已達到其使用壽命。當(dāng)通過電源開關(guān)的電流增加到超過其額定值時，多余功率的耗散和通過設(shè)備的熱量可能會破壞電源開關(guān)和逆變器系統(tǒng)。盡快檢測并解決這種情況以將電源開關(guān)保持在其安全工作區(qū)域內(nèi)非常重要。

設(shè)計用于檢測此類故障的最常見保護電路稱為去飽和 (desat) 保護，它可以集成在柵極驅(qū)動器中。顯示了一個典型的去飽和電路的實現(xiàn)，該電路監(jiān)控開關(guān)的通態(tài)電壓(IGBT 中的集電極-發(fā)射極電壓 [V CE ] 或 SiC FET 中的漏源電壓 [V DS ])以檢測預(yù)設(shè)閾值(V DESAT)。V CE或 V DS大于 V DESAT的情況會觸發(fā)去飽和，并且柵極驅(qū)動器將安全地關(guān)閉 IGBT 或 SiC FET 以防止損壞開關(guān)。

另一種情況是柵極驅(qū)動器的輸出與其輸入信號不匹配;這種異常情況需要立即檢測，以便逆變器系統(tǒng)可以安全關(guān)閉。包括柵極電壓監(jiān)控功能以檢測柵極電壓是否與進入輸出裸片的輸入信號處于同一電平，有助于確定通信通道或隔離柵是否存在故障。高級保護和診斷的實施有助于在車輛中建立高度的安全性和可靠性。

為什么 V GTH監(jiān)控很重要

逆變器系統(tǒng)的目標(biāo)和要求最終決定了其中設(shè)計的診斷和保護措施。將柵極電壓閾值 (V GTH ) 監(jiān)控納入設(shè)計是一項重要的測量，有助于評估電源模塊在其整個生命周期內(nèi)的健康狀況。Syed Huzaif Ali 和 Bilal Akin在他們的論文“分析IGBT 在熱應(yīng)力下的 V?th變化以改進汽車電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測”中表明，V GTH隨時間的顯著變化是電源開關(guān)故障的早期指標(biāo)。

顯示了兩個承受高溫功率循環(huán)的器件。在紅色曲線表示的器件經(jīng)受升高的溫度時，它會失效并且閾值電壓會急劇上升。雖然這種電壓升高是一個故障事件，但閾值電壓隨時間的逐漸變化也可能導(dǎo)致不需要的開關(guān)行為，例如增加的開關(guān)損耗，這可能表明需要進行車輛維護。一般來說，V GTH監(jiān)控有助于防止災(zāi)難性故障。

一種監(jiān)測 V GTH的方法

德州儀器 (TI ) 符合 ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)的UCC5870-Q1隔離式柵極驅(qū)動器集成了一種新穎的 V GTH監(jiān)控功能，其中柵極驅(qū)動器檢查其各自電源開關(guān)的健康狀況。與分立式實現(xiàn)相比，將此診斷集成到柵極驅(qū)動器可減少整體系統(tǒng)尺寸、重量和成本。

V GTH監(jiān)控功能在上電期間測量功率晶體管的柵極閾值電壓。恒流源對功率開關(guān)的柵極電容 (C G ) 充電，使柵極電壓 (V G ) 逐漸升高。一旦通道開始導(dǎo)通，V G自然會保持在閾值電壓 (V GTH ) 電平，而電源開關(guān)處于二極管配置中。

在消隱時間 (t dVGTHM ) 之后，集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器對 V G進行采樣并將測量結(jié)果存儲在寄存器中。微控制器使用此測量值來判斷電源開關(guān)的健康狀況。監(jiān)控 V GTH有助于確認功率級是否可靠。

結(jié)論

由于汽車電氣化對汽車消費者來說相對較新，他們可能擔(dān)心混合動力或電動汽車是內(nèi)燃機汽車的安全可靠替代品。包括足夠的內(nèi)部診斷和保護有助于確保車輛適合市場發(fā)布和上路部署。