SiC MOSFET柵極漏電流估計的原位方法

與硅 (Si) 相比，碳化硅 (SiC) 為電源轉換器設計提供了功率和強度，并增加了高功率密度和效率 。近年來，已經觀察到 SiC 的時間故障率降低，現(xiàn)在可與 Si 相媲美。預計柵極氧化物會發(fā)生降解，這是限制 SiC 在軍事應用、運輸和制造業(yè) 中廣泛使用的一個問題。通過指示可通過監(jiān)控 SiC MOSFET 來檢查的即將發(fā)生的故障，可以輕松防止基于 SiC 的功率轉換器中的災難性故障 。根據(jù)實際測量的柵極電流計算柵極漏電流是一項挑戰(zhàn)。柵極電容器的充電和放電瞬態(tài)過程支配著柵極電流。電感器引入了二階振鈴，這使得計算過程更加復雜。上述挑戰(zhàn)的解決方案是引入一種用于測量柵極電荷的原位方法。柵極電阻上的差分電壓和柵極電流相互成比例，而每個 SiC 器件上的電壓由圖 1 中的監(jiān)控電路跟蹤。

圖 1：監(jiān)控電路

老化檢測

圖 2 所示為 SiC MOSFET 老化檢測電路。目標是獲得在一段時間內以某種方式設法泄漏并進入 MOSFET 柵極的電荷總量。柵極漏電流由傳感電路通過測量外柵極電阻 Rg 兩端的電壓 Vrg 來計算。

圖2：老化檢測電路

針對給定圖所描述的場景表明，即使存在退化的 MOSFET，也沒有泄漏。由精密整流器執(zhí)行的進入柵極的正電流測量消除了該問題。Vs 完全取決于工作占空比，這表明傳感電路不足以準確確定導通柵極漏電流。圖 2 顯示了參考電路。建議同時對積分器輸出 vs 和 vr 進行采樣，以根據(jù)采樣時間和占空比獨立估計柵極漏電流。

傳感電路

圖 3 (a) 顯示了在柵極電阻兩端測得的差分電壓 Vrg。50kHz 的開關頻率和 0.5 的占空比已被用作 SiC MOSFET 實驗設置的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。圖 3 (b) 顯示了儀表放大器輸出 v1，它旨在產生單位增益，從而產生與差分輸入相同的輸出波形。收集的實驗數(shù)據(jù)已用于獲得分析和波形。通過在執(zhí)行輸出電壓校準的情況下設置正常的 MOSFET，可以消除開關導通瞬變的影響。

圖 3：傳感電路的波形

參考電路

參考電路的精密整流器直接接收柵極驅動器輸出。精密整流器的增益用 Gr 表示，它是 R3 和 R4 之間的比率。以積分器輸出不飽和的方式進行選擇。圖4（a）、（b）和（c）分別表示波形vg、v3和vr。

圖 4：來自參考電路的波形

仿真結果

柵極漏電流可以用以下公式計算：

Vs,cal(Ts)/ Vr(Ts) = (GsRg /GrVg-on) I _g,lk-on

柵極驅動器電路允許知道 Vg-on 和 Rg 的值，而 Gs 和 Gr 的值是通過設計選擇的，I _g,lk-on、Vs,cal 和 Vr 的值通過采樣計算 。圖 5 顯示了仿真的波形。漏電流值的準確性受電路和運算放大器等元件的非理想特性的影響，同時也是由于噪聲的引入。

圖 5：模擬波形

實驗設置和結果

圖 6 顯示了具有 1.7kV SiC MOSFET 和 50kHz 頻率的柵極驅動器和老化檢測電路的示意圖 。下側 FET 連接到老化電路，并連接了一個外部電阻器以吸收額外的柵極電流。原型如圖 7 所示。結果表明，電壓 Vs 和 Vr 隨時間增加。對不同時間段的 Vs 和 Vr 進行采樣有助于計算柵極漏電流。

圖 6：實驗設置

圖 7：原型

結論和未來工作

本文中描述的用于監(jiān)控 SiC MOSFET 健康狀況的技術基于柵極漏電流。寬動態(tài)范圍和高頻率都對以直接方式測量柵極電流提出了挑戰(zhàn)。通過實驗結果驗證了預期的波形。老化檢測電路和柵極驅動器的集成可以通過使用健康監(jiān)測功能創(chuàng)建更可靠的電源轉換器設計。其他功率晶體管系列，例如 IGBT 和 GaN，可以使用這種方法來估計柵極電流。