SiC MOSFET的實(shí)時結(jié)溫監(jiān)控電路測量方案

碳化硅設(shè)備或設(shè)備因在不久的將來有可能在電力電子設(shè)備（特別是大功率轉(zhuǎn)換器應(yīng)用）中替代硅的傳統(tǒng)設(shè)備而聞名。1由于寬帶隙的可用性，高功率密度，較低的電阻和快速的開關(guān)頻率，所有這些都是可能的。高可靠性電源系統(tǒng)需要復(fù)雜，苛刻和復(fù)雜的條件和環(huán)境才能工作。經(jīng)歷故障的大多數(shù)情況是功率半導(dǎo)體故障的結(jié)果，2由于半導(dǎo)體器件中的溫度水平和變化會引起電路故障，因此建議對溫度進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋O(jiān)視，這將最終對下一代健康管理系統(tǒng)有所幫助。1準(zhǔn)閾值電壓已用于提取結(jié)溫。

準(zhǔn)閾值電壓作為TSEP

與MOS結(jié)構(gòu)相關(guān)的閾值電壓（Vth）是負(fù)責(zé)在器件中創(chuàng)建導(dǎo)電通道的最小柵極電壓，并且允許電流在漏極和源極之間流動。圖1顯示，由于柵極驅(qū)動器電壓（Vgs）的數(shù)量比閾值電壓低，在從t0到t1的導(dǎo)通過渡開始點(diǎn)，漏極電流（Id）完全為零。已經(jīng)觀察到，當(dāng)Vgs到達(dá)t1時，它會移動到Vth。隨之，Id的值也會增加。在此，將準(zhǔn)閾值電壓的概念解釋為在導(dǎo)通過程中與t1的時間相對應(yīng)的柵極驅(qū)動電壓的值。4在圖1中顯示負(fù)溫度系數(shù)的結(jié)溫度升高時，注意到t1的量減少了。兩個重要變量（例如閾值電壓和結(jié)溫度）之間的現(xiàn)有關(guān)系為改變，因?yàn)橛^察到Lss'上的電壓發(fā)生了變化。由于SiC MOSFET的開爾文源極和電源Lss'之間存在寄生電感，因此存在以同步方式突然升高電壓的高端可能性，該寄生電感最終將由電壓的上升反映出來。圖2顯示了四引腳SiC MOSFET的等效電路。

圖1：導(dǎo)通期間的開關(guān)波形

圖2：等效電路

準(zhǔn)Vth測量電路及其工作原理

圖3顯示了完整的過程，通過新穎的方法提取準(zhǔn)確的準(zhǔn)Vth，取決于在電源端子和輔助電源端子之間接通電源驅(qū)動時寄生電感上的電壓下降的時間。圖3的框圖清楚地顯示了測量電流的方法。

圖3：測量電路框圖

該圖所示的電路包括三個部分：

• 驅(qū)動部分
• 比較部分
• 采樣保持部分
• 驅(qū)動部分驅(qū)動部分

的功能是通過切換到較大的驅(qū)動電阻來測量準(zhǔn)Vth。SiC MOSFET由TMS320F28335產(chǎn)生的PWM信號隔離來驅(qū)動。

比較部分

該部分負(fù)責(zé)將Vss'中存在的模擬脈沖轉(zhuǎn)換為邏輯信號。

采樣保持部分

差分放大器AMP1用于在接通瞬態(tài)階段之間獲得Vgs。

已經(jīng)注意到，通常在SiC MOSFET的Vgs之后是電容器C，而準(zhǔn)Vth由閉合的JFET保持。

實(shí)驗(yàn)裝置

圖4顯示了已經(jīng)為實(shí)驗(yàn)完成的測試。該實(shí)驗(yàn)由帶有雙脈沖測試電路，續(xù)流二極管，驅(qū)動器環(huán)路和負(fù)載電感的被測設(shè)備組成。

圖4：用于實(shí)驗(yàn)的等效電路

圖5顯示了要執(zhí)行的實(shí)驗(yàn)的完整設(shè)置。對于測試設(shè)備，已使用SiC MOSFET和TO-247。使用雙脈沖測試板安裝設(shè)備，熱量由J946溫度控制器提供，該溫度控制器實(shí)際上是對分立設(shè)備中閉環(huán)溫度的控制。圖6顯示了如何使用紅外熱像儀捕獲條狀芯片。

圖5：完整的實(shí)驗(yàn)設(shè)置

圖6：結(jié)溫校準(zhǔn)設(shè)置

結(jié)果

結(jié)果表明，閾值電壓與結(jié)溫成線性關(guān)系。當(dāng)結(jié)從36°C升高到118°C時，準(zhǔn)Vth改變0.358V。負(fù)載電流也從10 A改變?yōu)?8 A，結(jié)果表明電流變化的影響是幾乎可以忽略不計，但是Vds（直流母線電壓）的影響更大。由于電容器Cgd，直流母線電壓的增加導(dǎo)致準(zhǔn)Vth的測量值變小，并且其值隨電壓從200 V增加到600 V而減小。

結(jié)論

本文介紹了一種新穎的測量電路，以測量用于測量SiC MOSFET的實(shí)時或?qū)嶋H結(jié)溫?？梢钥闯?，出于訂購和處理數(shù)據(jù)或電流傳感器的目的，不需要本質(zhì)上復(fù)雜的任何算法。該實(shí)驗(yàn)的最終結(jié)果表明，與準(zhǔn)Vth的結(jié)溫之間存在良好的靈敏度線性關(guān)系。在SiC MOSFET的雙脈沖測試下，溫度系數(shù)為–4.3mV /°C。負(fù)載電流不負(fù)責(zé)這項(xiàng)技術(shù)，它直接與直流鏈路電壓相連，并且不影響上面提到的線性和靈敏度因素。所有數(shù)據(jù)均已從真實(shí)來源仔細(xì)收集。

參考文獻(xiàn)

1于恒宇，江希，陳建軍，王軍，沉正。一種新型的SiC MOSFET實(shí)時結(jié)溫監(jiān)測電路。

2H. Wang，M。Liserre和F. Blaabjerg，“邁向可靠的電力電子：挑戰(zhàn)，設(shè)計工具和機(jī)遇”，IEEE工業(yè)電子雜志，第1卷?！?，第7卷，第2期，第17-26頁，2013年6月。

3P. Ghimire，S。Beczkowski，S。Munk-Nielsen，B。Rannestad和PBTh?gersen，“實(shí)時物理測量技術(shù)及其預(yù)測igbt磨損狀態(tài)的嘗試的綜述”，2013年第15屆歐洲會議關(guān)于電力電子和應(yīng)用（EPE），2013年9月，第1-10頁。

4B. J. Baliga，《功率半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)》。紐約州：施普林格，2008年。

編輯：hfy