電動車設計人員可以透過監測閘極電壓閾值來改善牽引逆變器系統的安全性和可靠性。
消費者購買車輛時，認定設計工程師盡職盡責打造安全的產品。為了達到必要的安全程度，特別是關於國際標準化組織 (ISO) 26262 標準，牽引逆變器等車輛內的子系統必須包括內部診斷和保護功能，藉以協助偵測潛在的故障模式。
倍受關注的逆變器子系統是功率級。除了電源模組之外，功率級也包括整合式半導體裝置，例如隔離式偏壓電源供應器、閘極驅動器和電源開關。該模組的開關方案有助於將電池的直流電轉換為交流電，藉此有效可靠地驅動電動車的馬達。驅動這些電源開關時，有多種原因需要監測馬達的狀態或條件，並提供不同的方法。
開關保護和診斷的重要性
由於碳化矽 (SiC) 金屬氧化物半導體場效應電晶體 (MOSFET) 或絕緣柵雙極電晶體 (IGBT) 功率模組對車輛的運行和效率相當重要，設計人員必須審慎考量如何正確驅動馬達。實作全面的故障機制分析對於打造安全可靠的產品而言有其必要。
逆變器系統必須處理許多故障狀況。例如，電源開關短路可能表示電源開關已達到使用壽命。透過電源開關的電流增加超過額定值時，透過裝置耗散的多餘功率和熱量可能會損壞電源開關和逆變器系統。必須盡快偵測並解決這種情況，才能將電源開關保持在安全作業範圍內。
用於偵測此類故障的最常見保護電路設計稱為去飽和保護，這可以整合在閘極驅動器中。圖 1 顯示典型去飽和電路的實作，該電路監測開關的導通電壓 (IGBT 中的集極-集極-電壓 [VCE] 或 SiC FET 中的漏電壓 [VDS]) 以偵測預設閾值 (VDESAT)。VCE 或 VDS 大於 VDESAT 的情況會觸發去飽和，閘極驅動器將安全地關閉 IGBT 或 SiC FET，以免開關損壞。
圖 1：典型的去飽和電路實作
另一種情況是閘極驅動器的輸出與輸入訊號不相符；這種異常需要立即偵測，逆變器系統才能安全關閉。加入閘極電壓監測功能以偵測閘極電壓是否與進入輸出裸晶的輸入訊號達到相同程度有助於確定通訊通道或隔離層是否存在故障。進階保護和診斷的實作有助於車輛達到高度的安全性和可靠性。
為什麼 VGTH 監測很重要
逆變器系統的目標和要求最終決定其中設計的診斷和保護。將閘極電壓閾值 (VGTH) 監測納入設計是確實有助於評估電源模組在整個生命週期內的運作狀況。ISyed Huzaif Ali 和 Bilal Akin 共同撰寫的論文「分析熱應力下 IGBT 的 Vth 變化以改進汽車電源轉換系統的狀況監測」指出，VGTH 隨時間而出現的顯著變化是電源開關故障的早期指標。
圖 2 顯示兩個經歷高溫功率循環的裝置。紅色曲線表示的裝置溫度升高時，裝置會故障，而且閾值電壓會急遽升高。雖然這種電壓升高是故障事件，不過閾值電壓隨時間而出現的逐漸變化也會導致不必要的開關行為，例如開關損耗增加，這可能表示需要對車輛進行維護。一般來說，VGTH 監測有助於防止災難性故障。
圖 2：數千次循環後 VGTH 的百分比變化 (來源：「分析熱應力下 IGBT 的 Vth 變化以改進汽車電源轉換系統的狀況監測」)
監測 VGTH 的其中一種方法
德州儀器 (TI) 的 UCC5870-Q1 隔離式閘極驅動器符合 ISO 26262 標準，其中整合新穎的 VGTH 監測功能，閘極驅動器可在其中檢查各個電源開關的運作狀況。相較於離散實作，將此項診斷整合到閘極驅動器中可縮減整體系統尺寸、重量和成本。
VGTH 監測功能在通電期間測量功率電晶體的閘極閾值電壓。恆流源會對電源開關的閘極電容 (CG) 充電，因而導致閘極電壓 (VG) 逐漸升高。通道開始導通後，功率開關處於二極體配置時，VG 會自然保持在閾值電壓 (VGTH) 電平。
在消隱時間 (tdVGTHM) 之後，整合式類比轉數位轉換器對 VG 進行採樣並將測量值儲存在暫存器中。微控制器使用此項測量來判斷電源開關的運作狀況。監測 VGTH 有助於確認功率級是否可靠。
結論
由於汽車電氣化對汽車消費者來說相對較新，因此可能顧慮混合動力或電動車能否成為內燃機汽車的安全可靠替代品。加入充足的內部診斷和保護有助於確保車輛上市和上路。
其它資源
- 若要深入瞭解驅動 IGBT 和 SiC 功率開關，請參閱電子書「IGBT 和 SiC 閘極驅動器基礎知識」。
- 下載 UCC5870-Q1 閘極驅動器產品規格表。
- 若要瞭解如何在牽引逆變器系統中設計絕緣式閘極驅動器，請參閱應用報告「使用絕緣式 IGBT 和 SiC 閘極驅動器的 HEV/EV 牽引逆變器設計指南」。
若要瞭解如何設計採用分佈式架構的牽引逆變器，請參閱技術文章的牽引逆變器，請參閱「使用分佈式架構驅動新世代 EV 系統」。
