导言：小米超级电机V8s被称为“一针捅破天”的极致电驱，同时还在2025年开年第一个大会上获得了小米公司的"千万技术大奖"。电驱的极致性能需要极致逆变器的助力，在懂车老王的一期节目中提到了“智能门极驱动”技术，号称该技术能够将开关损耗降低一半，CLTC续航能够提升大概0.4%，电动车实打实能多开3-4公里，如此神秘的“智能”，其原理是什么呢？本文试图从技术原理上详细说明。

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01 媒体评价

《小米V8s双电机深度拆解！和特斯拉，比亚迪有何异同？争议在哪？》节目中对智能门极驱动的表述为：功率半导体的开关速度，主要就是驱动电阻来调节的。对UVW三相的每一相，都设计有一大一小两个门极电阻，通过控制开关速度，可以减少开关过程中产生的振荡及电磁干扰；通过调节其阻值，可以平衡开关速度和电路稳定性，阻值调大，开关速度就会变低，以牺牲电耗的方式降低噪声，阻值调小，会加快开关速度，如果所有区域都调小，就会导致振荡。

来源：懂车帝

如上图所示，横坐标是时间，纵坐标是电流，高电流必须切换大电阻，因为关断尖峰比较高，小电阻有可能会击穿功率器件，因为不耐压；功率小的时候可以用小电阻，电流升降就会变得敏捷一些，能耗比较小；而续航工况一般主要是在小电流区间，效率比较高，因此为了平衡高电流半导体不耐压和小电流效率低的问题，以某一个电流值为界(100m多安培，不到200A)，使得耐压和能耗平衡；同时在开关切换过程中，还会有驱动保护策略，避免失效，这项技术能够实现开关损耗能降低一半，CLTC续航能够提升大概0.4%，电动车实打实能多开3-4公里。

来源：小米

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02 智能门极驱动实现原理及应用收益

智能门极驱动用电力电子及栅极驱动器的技术语言表达就是：根据电动汽车运行工况在多个预设电流值之间进行切换，也就是栅极强度可调。逆变器控制算法能够根据电机的工况优化逆变器功率器件的开关速率，比如在极低环境温度下，通过调节门极驱动强度，加大驱动电流，可以优化功率器件的开关速率；同样，在配备制动能量回收功能的车辆进行制动时，由于母线电压升高，此时太快的开关过程会引起对器件的过冲应力。通过栅极驱动可调可以使得OEM灵活选择，最终实现适度但切实际地增加续航里程。

栅极驱动电阻用于可靠地限制给门极充电或者放电时的峰值电流，传统做法是，将电阻固定为一个特定值，以防止最坏情况下的过压，然而这种做法在常见工况下会错失一定的节省能耗的机会。栅极驱动电阻在设计之初通常是根据最恶劣工况(如最大负载，最高电压)的评估，选择足够的电阻，保护这些极端工况下对功率器件的应力过高，随着这样操作确实最大限度地减少了对功率器件的潜在危害，但是车辆行驶的整个工况中，极端工况只会占据很小的一部分，在非极端工况时可以采用更高效的栅极强度开关功率器件。

栅极驱动强度可调实现原理 (来源：NXP)

逆变器设计者可以持续综合考量多个因素(如电流，电压，温度等)，选择最合适的栅极驱动强度，在OEM指定的最适合典型工况下运行，当出现非典型极端情况时自动切换到更合适的设置，并在条件恢复正常时动态地切换回来。

同时，随着栅极驱动器效率的提高，冷却需求也可以得到缓解；因此，电机控制器设计者可以采用更小的冷却系统，这意味着整个逆变器尺寸和重量都可以减小，减少整车尺寸和重量最终都可能对续驶里程产生积极影响。

需要说明的是，媒体公开的实现原理图中应该为了避免信息泄露，如图所示红色圈出的部分在实际应用中应该是双栅极上拉(开通)引脚和双栅极下拉(关断)引脚，以实现增强驱动能力，同步调整栅极驱动强度，降低弱驱动时的热负载。

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03 栅极驱动强度可调功能的技术解析

GD3162是NXP公司最新推出的具有动态栅极强度控制的先进高压隔离栅极驱动器。如图所示为该芯片在系统应用时的连接原理，其动态栅极强度控制的时间主要是通过低压侧的I/O管脚(GS _ENH, GS_ENL)或者SPI管脚(CSB, MOSI, MISO, SCLK)，高压侧管脚(GH_1, GH_2, GL_1, GL_2)来实现。

 栅极驱动强度可调驱动器的应用架构 (来源：NXP)

如图所示为栅极驱动强度可调功能的内部电路逻辑，通过不同的逻辑门电路最终实现低压侧对高压侧的不同管脚输出，进而实现功能。

内部电路逻辑(来源：NXP)

• 通过低压区管脚 GS_EN H 和 GS_EN L 控制栅极强度：
  
  

GD3162 提供了两种在低压区控制栅极强度的方式，第一种是使用低压区 I/O 管脚 GS_EN_H和 GS_EN_L 控制栅极强度，可以支持高达 20 kHz 的的变化频率。通过合适的配置，还可以支持TRILEVEL 操作，TRILEVEL 指的是用户可以同时使能上拉和下拉栅极输出操作。

GD3162 逻辑电平管脚可以进行高度配置，从而实现多种不同的开通和关断驱动强度组合。为了使用 I/O 管脚 GS_EN_H 和 GS_EN_L 使能栅极强度可调，寄存器 MODE2 中的 GSSP_I_EN 位必须设置为 0(默认值)。

• 配置 GS_EN_H 管脚逻辑和 TRILEVEL 操作

为了通过配置 I/O 管脚 (GS_EN_H 和 GS_EN_L) 实现不同栅极驱动强度组合，需要根据下图所示的上拉和下拉栅极驱动强度真值表来设置寄存器 STATCON4 (GS_H_WS_CNF , GS_H_US_CNF ,GS_L_WS_CNF and GS_L_US_CNF )。

如真值表中所列出，根据 I/O 管脚 GS_EN_H的逻辑状态，通过配置 GS_H_WS_CNF和GS_H_US_CNF将确定哪个上拉输出管脚 (GL_1 和/或 GL_2) 将会被使能。

GS_EN_H 的逻辑被设计为三种独立的状态：逻辑高电平，逻辑低电平和逻辑 TRILEVEL。管脚电压为 VDD 时为逻辑高电平，管脚电压为 0V 时为逻辑低电平，管脚电压为 VDD/2 时为逻辑TRILEVEL，通过配置 GS_H_WS_CNF 和 GS_H_US_CNF，结合 GS_EN_H的逻辑状态，可以提供一系列不同的栅极强度来满足大部分应用。

• 配置 GS_EN_L 管脚逻辑和 TRILEVEL 操作

类似于配置上拉栅极强度，下拉栅极强度也可以通过配置实现强度可调。通过下图的真值表可以看出，根据 I/O 管脚 GS_EN_L 的逻辑状态，通过配置 GS_L_WS_CNF 和 GS_L_US_CNF将确定哪个下拉输出管脚 (GL_1 和/或 GL_2) 将会被使能。

GS_EN_L 的逻辑被设计为三种独立的状态：逻辑高电平，逻辑低电平和逻辑 TRILEVEL。管脚电压为 VDD 时为逻辑高电平，管脚电压为 0V 时为逻辑低电平，管脚电压为 VDD/2 时为逻辑TRILEVEL，通过配置 GS_L_WS_CNF 和 GS_L_US_CNF ，结合 GS_EN_L 的逻辑状态，可以提供一系列不同的栅极强度来满足大部分应用。

• 通过低压区 SPI 控制栅极强度：

  
  

第二种在低压区控制上拉和下拉栅极强度的方法是通过 SPI 直接调节。当寄存器 MODE2 中的GSSP_I_EN 位设置为 1 时，GD3162 使能 SPI 命令优先级高于栅极强度使能逻辑管脚来调节驱动强度，GSSP_I_EN 位的默认值为 0(栅极强度通过 GS_EN_H 和 GS_EN_L 的输入来控制)。通过设置寄存器 STATCON4 的不同位来实现栅极强度控制。

对于上拉 (开通) 栅极强度，使用 GS_H_WS_CNF 和 GS_H_US_CNF 来控制，以下真值表将寄存器的不同配置转换为开通管脚 GH_1 和 GH_2 的栅极驱动强度。

对于下拉 (关断) 栅极强度，使用 GS_L_WS_CNF 和 GS_L_US_CNF 来控制, 以下真值表将寄存器的不同配置转换为开通管脚 GL_1 和 GL_2 的栅极驱动强度。

栅极驱动强度的变化需要 20μs 的建立时间，假设栅极驱动强度调整指令至少提前 PWM 信号变化前 20μs，则驱动强度将会在接下来的 PWM 变化时使能，如果调整指令少于 20μs，则驱动强度调整就会延迟 1 个 PWM 周期，从而在下个 PWM 变化时使能。为了避免通信时的信息丢失，驱动强度调整的最大频率不能超过 20kHz。

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04 未来技术展望及应用推荐

当前GD3162栅极驱动器具备了驱动强度可调的功能外，相比较于之前的产品，还具备主动放电功能，后续系列文章陆续推出对这个功能的解释；同时， NXP更新一代的栅极驱动器GD3163也在规划之中了，会在高低压间电源转换实现更多集成功能，方便逆变器开发者开发电源设计，进一步减轻了系统设计者的负担，提高了系统可靠性。

另外，GD31xxx系列产品一般会应用在高功能安全要求(ASILC/D)，也就意味着高成本的系统场景，对使得逆变器的设计考虑更多更详细，对开发人员也有一定要求，同时TI有可以满足高共功能安全需求的产品UCC58xx系列；如果是应用在低功能安全要求的系统场景(ASIL B)，可以选择使用英飞凌的1EDI303x系列，特别是低成本的系统场景，可以使用TI的UC217xx系列甚至是UCC535x系列。

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