提高 xEV 牽引逆變器系統(tǒng)的安全性

電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)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(fèi)者購買汽車時(shí)，他們認(rèn)為設(shè)計(jì)工程師盡職盡責(zé)地創(chuàng)造了一款安全的產(chǎn)品。為了達(dá)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(hù)功能，以幫助檢測(cè)潛在的故障模式。

一個(gè)備受關(guān)注的逆變器子系統(tǒng)是功率級(jí)。除功率模塊外，功率級(jí)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(dòng)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(dòng)電動(dòng)汽車的電機(jī)。在驅(qū)動(dòng)這些電源開關(guān)時(shí)，有幾個(gè)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(hù)和診斷的重要性

由于碳化硅 (SiC) 金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 或絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 功率模塊對(duì)車輛的運(yùn)行和效率非常重要，因此設(shè)計(jì)人員必須仔細(xì)考慮如何正確驅(qū)動(dòng)它們。實(shí)施全面的故障機(jī)制分析對(duì)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(zhǎng)串故障場(chǎng)景。例如，電源開關(guān)短路可能表明電源開關(guān)已達(dá)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(shí)，多余功率的耗散和通過設(shè)備的熱量可能會(huì)破壞電源開關(guān)和逆變器系統(tǒng)。盡快檢測(cè)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(jì)用于檢測(cè)此類故障的最常見保護(hù)電路稱為去飽和 (desat) 保護(hù)，它可以集成在柵極驅(qū)動(dòng)器中。顯示了一個(gè)典型的去飽和電路的實(shí)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(cè)預(yù)設(shè)閾值(V DESAT)。V CE或 V DS大于 V DESAT的情況會(huì)觸發(fā)去飽和，并且柵極驅(qū)動(dòng)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(dòng)器的輸出與其輸入信號(hào)不匹配;這種異常情況需要立即檢測(cè)，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(cè)柵極電壓是否與進(jìn)入輸出裸片的輸入信號(hào)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(jí)保護(hù)和診斷的實(shí)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(jì)的診斷和保護(hù)措施。將柵極電壓閾值 (V GTH ) 監(jiān)控納入設(shè)計(jì)是一項(xiàng)重要的測(cè)量，有助于評(píng)估電源模塊在其整個(gè)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(jìn)汽車電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)”中表明，V GTH隨時(shí)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(gè)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(shí)，它會(huì)失效并且閾值電壓會(huì)急劇上升。雖然這種電壓升高是一個(gè)故障事件，但閾值電壓隨時(shí)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(jìn)行車輛維護(hù)。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(cè) 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(dòng)器集成了一種新穎的 V GTH監(jiān)控功能，其中柵極驅(qū)動(dòng)器檢查其各自電源開關(guān)的健康狀況。與分立式實(shí)現(xiàn)相比，將此診斷集成到柵極驅(qū)動(dòng)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(cè)量功率晶體管的柵極閾值電壓。恒流源對(duì)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(huì)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(shí)間 (t dVGTHM ) 之后，集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì) V G進(jìn)行采樣并將測(cè)量結(jié)果存儲(chǔ)在寄存器中。微控制器使用此測(cè)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(rèn)功率級(jí)是否可靠。

結(jié)論

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