SiC MOSFET的實時結溫監(jiān)控電路及其影響因素

碳化硅設備或器件因其在不久的將來在電力電子設備中取代傳統(tǒng)硅器件的可能性而聞名，特別是用于大功率轉換器應用。1由于寬帶隙、高功率密度、低電阻和快速開關頻率的可用性，所有這一切都是可能的。高可靠性電力系統(tǒng)需要復雜、惡劣、復雜的條件和環(huán)境才能工作。經(jīng)歷故障的大多數(shù)情況是功率半導體故障的結果，2由于半導體器件中出現(xiàn)的溫度水平和變化會導致電路出現(xiàn)故障，因此建議對溫度進行適當?shù)谋O(jiān)測，這最終將有助于未來的健康管理系統(tǒng)。1準閾值電壓已被用作提取結溫的一種方法。有關更多信息，請查看這篇文章。

作為 TSEP 的準閾值電壓

與 MOS 結構相關的閾值電壓 (Vth) 是負責在器件中創(chuàng)建導電溝道并允許電流在漏極和源極之間流動的最小柵極電壓。圖 1 顯示，由于柵極驅動器電壓 (Vgs) 與閾值電壓相比較低，因此在從 t0 到 t1 的導通轉換起點處，漏極電流 (Id) 完全為零。已經(jīng)觀察到 Vgs 在到達 t1 時轉變?yōu)?Vth；隨之而來的是，Id 的值增加。這里，準閾值電壓的概念已被解釋為對應于導通過程中的t1時間的柵極驅動電壓的值。4在圖 1 中呈現(xiàn)負溫度系數(shù)的結溫水平升高時，已經(jīng)注意到 t1 的量減少。 兩個重要變量（例如閾值電壓和結溫）之間的現(xiàn)有關系為變化，因為觀察到 Lss' 上的電壓發(fā)生了變化。由于 SiC MOSFET 的開爾文源和電源 Lss' 之間存在寄生電感，最終會通過電壓的上升來反映，因此存在電壓以同步方式突然升高的高端可能性。圖 2 顯示了四引腳 SiC MOSFET 的等效電路。

圖 1：開啟期間的開關波形

圖 2：等效電路

準Vth測量電路及其工作原理

圖 3 顯示了通過新方法提取準確準 Vth 的完整過程，這取決于當電源端子和輔助源端子之間的電源驅動器打開時寄生電感上的電壓下降的時間. 測量電流的方法已經(jīng)清楚地顯示在圖 3 的框圖中。

圖 3：測量電路框圖

該圖所示電路包括三部分：

驅動部分

比較部分

采樣保持部分

驅動部分驅動部分
的作用是通過切換到大驅動電阻來測量準Vth。SiC MOSFET 由 TMS320F28335 通過隔離信號產(chǎn)生的 PWM 信號驅動。

比較部分
該部分負責將Vss'中存在的模擬脈沖轉換為邏輯信號。

采樣保持部分
差分放大器 AMP1 用于在導通瞬態(tài)階段之間獲得 Vgs。

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

實驗裝置

圖 4 顯示了為實驗所做的測試。本實驗由帶雙脈沖測試電路的被測設備、續(xù)流二極管、驅動回路和負載電感組成。

圖 4：用于實驗的等效電路

圖 5 顯示了要進行的實驗的完整設置。對于測試設備，使用了 SiC MOSFET 和 TO-247。使用雙脈沖測試板安裝設備，熱量由 J946 溫度控制器提供，該控制器實際上對分立設備中的閉環(huán)溫度進行控制。圖 6 顯示了如何使用 IR 攝像機捕獲條形芯片。

圖 5：完整的實驗設置

圖 6：結溫校準設置

結果

結果表明，閾值電壓與結溫呈線性關系；隨著結從36°C升高到118°C，準V th變化了0.358 V。負載電流也從10 A變化到28 A，結果表明電流變化的影響是幾乎可以忽略不計，但 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致準 Vth 的測量值變小， 并且其值隨著電壓從 200 V 增加到 600 V 而減小。

結論

本文描述了一種新穎的測量電路，用于測量 SiC MOSFET 的實時或實際結溫?？梢钥闯?，為了排序和處理數(shù)據(jù)或電流傳感器，不需要任何本質上復雜的算法。本實驗的最終結果表明，與準Vth的結溫存在良好的靈敏度、線性關系。SiC MOSFET 在雙脈沖測試下的溫度系數(shù)為–4.3mV /°C。負載電流不對該技術負責，它與直流母線電壓直接相關，不影響上述線性和靈敏度因素。所有數(shù)據(jù)均從真實來源仔細收集。

審核編輯：劉清