提高 xEV 牵引逆变器系统的安全性

电动汽车设计人员可以通过监控栅极电压阈值来提高牵引逆变器系统的安全性和可靠性。

当消费者购买汽车时，他们认为设计工程师尽职尽责地创造了一款安全的产品。为了达到必要的安全水平，特别是在国际标准化组织 (ISO) 26262 标准方面，车辆内的子系统(例如牵引逆变器)必须包括内部诊断和保护功能，以帮助检测潜在的故障模式。

一个备受关注的逆变器子系统是功率级。除功率模块外，功率级还包括集成半导体器件，例如隔离式偏置电源、栅极驱动器和电源开关。该模块的开关方案有助于将电池中的直流电转换为交流电，从而高效可靠地驱动电动汽车的电机。在驱动这些电源开关时，有几个原因需要监控它们的状态或状况以及这样做的不同方法。

开关保护和诊断的重要性

由于碳化硅 (SiC) 金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 或绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 功率模块对车辆的运行和效率非常重要，因此设计人员必须仔细考虑如何正确驱动它们。实施全面的故障机制分析对于创建安全可靠的产品是必要的。

逆变器系统必须处理一长串故障场景。例如，电源开关短路可能表明电源开关已达到其使用寿命。当通过电源开关的电流增加到超过其额定值时，多余功率的耗散和通过设备的热量可能会破坏电源开关和逆变器系统。尽快检测并解决这种情况以将电源开关保持在其安全工作区域内非常重要。

设计用于检测此类故障的最常见保护电路称为去饱和 (desat) 保护，它可以集成在栅极驱动器中。显示了一个典型的去饱和电路的实现，该电路监控开关的通态电压(IGBT 中的集电极-发射极电压 [V CE ] 或 SiC FET 中的漏源电压 [V DS ])以检测预设阈值(V DESAT)。V CE或 V DS大于 V DESAT的情况会触发去饱和，并且栅极驱动器将安全地关闭 IGBT 或 SiC FET 以防止损坏开关。

另一种情况是栅极驱动器的输出与其输入信号不匹配;这种异常情况需要立即检测，以便逆变器系统可以安全关闭。包括栅极电压监控功能以检测栅极电压是否与进入输出裸片的输入信号处于同一电平，有助于确定通信通道或隔离栅是否存在故障。高级保护和诊断的实施有助于在车辆中建立高度的安全性和可靠性。

为什么 V GTH监控很重要

逆变器系统的目标和要求最终决定了其中设计的诊断和保护措施。将栅极电压阈值 (V GTH ) 监控纳入设计是一项重要的测量，有助于评估电源模块在其整个生命周期内的健康状况。Syed Huzaif Ali 和 Bilal Akin在他们的论文“分析IGBT 在热应力下的 V th变化以改进汽车电源转换系统的状态监测”中表明，V GTH随时间的显着变化是电源开关故障的早期指标。

显示了两个承受高温功率循环的器件。在红色曲线表示的器件经受升高的温度时，它会失效并且阈值电压会急剧上升。虽然这种电压升高是一个故障事件，但阈值电压随时间的逐渐变化也可能导致不需要的开关行为，例如增加的开关损耗，这可能表明需要进行车辆维护。一般来说，V GTH监控有助于防止灾难性故障。

一种监测 V GTH的方法

德州仪器 (TI ) 符合 ISO 26262 标准的UCC5870-Q1隔离式栅极驱动器集成了一种新颖的 V GTH监控功能，其中栅极驱动器检查其各自电源开关的健康状况。与分立式实现相比，将此诊断集成到栅极驱动器可减少整体系统尺寸、重量和成本。

V GTH监控功能在上电期间测量功率晶体管的栅极阈值电压。恒流源对功率开关的栅极电容 (C G ) 充电，使栅极电压 (V G ) 逐渐升高。一旦通道开始导通，V G自然会保持在阈值电压 (V GTH ) 电平，而电源开关处于二极管配置中。

在消隐时间 (t dVGTHM ) 之后，集成模数转换器对 V G进行采样并将测量结果存储在寄存器中。微控制器使用此测量值来判断电源开关的健康状况。监控 V GTH有助于确认功率级是否可靠。

结论

由于汽车电气化对汽车消费者来说相对较新，他们可能担心混合动力或电动汽车是内燃机汽车的安全可靠替代品。包括足够的内部诊断和保护有助于确保车辆适合市场发布和上路部署。