三相电压源逆变器中SiC MOSFET的结温估算

功率 MOSFET 中的SiC（碳化硅）与其对应物相比具有一系列优势，例如更高的导电性、更低的开关速度和更低的传导损。它还可以在更高的温度和电压下运行。凭借这些优势，它提高了功率 MOSFET 的效率和功率密度。SiC MOSFET 是在大约十年前推出的，但仍然存在一些问题，例如高成本、低可靠性以及其他一些挑战，例如高 dv/dt 附加到它。结温是功率半导体的关键点，应保持在标准范围内。在操作期间，结的温度是估计的或未知的，这就是设计人员必须保持巨大的安全边际。现在，为了测量功率器件的温度，已经开发了不同的技术。一种方法包括使用与芯片直接接触的热敏电阻，但由于绝缘问题和测量延迟，这种方法也很关键[7]。 这里是 IEEE 文章。

现在使用的唯一方法是将电热模型与 DBC（直接粘合铜）基板或通过热敏电阻 [8]-[10] 的散热器的温度检查器连接在一起的方法。这些模型有些粗糙，可能会导致估计错误。早期的基于 TSEP（热敏电参数）的技术现在被认为是一种重要的方法，并用于结温指示器。大多数基于 TSEP 的方法目前仅限于受控条件下的实验室。它们用于数据表编译，为没有专用设备的真实案例提供创造性的解决方案。当第一个 POC 转换器获得良好结果时，分析了对新三相逆变器的需求。

设置

原型如图所示。图 2 显示了所提出的电源转换器的电路图。在正负电流值上引入了传导电压的附加测量。建议的功率转换器具有 3 个 SiC 功率模块，击穿电压为 1.2KV。在 60 摄氏度和 600V DC 工作电压和 20KHz 开关频率下的 RMS 电流为 180A [1]。在图。从图 2 中我们可以看到，每个半桥由 2 个 SiC MOSFET 和 2 个相反方向的二极管组成。所提出的技术可用于每个功率转换器，而不管其几何形状。

图 2：转换器电路图

V上测量

为了获得传导电压，必须仔细设计测量系统。测量系统必须能够在 PWM 模式下以及占空比达到其下限或上限时测量 MOSFET 的压降。在关断状态下，Vds 等于直流链路电压。在导通状态下，Vds 下降几伏，Q1 提供恒定电流来激励 D6。相同的电流通过 D4 和 D6。由于它们接近，两个二极管处于相同的温度，并且由于温度引起的电压降的任何偏差都得到补偿。

调试测试程序

此过程直接在转换器上执行，除了铝板下方的热板外，无需任何额外设备，在这种情况下，称为散热器。两个热敏电阻用于测量散热器的温度。一个重要的假设是结点和散热器的温度不随电流尖峰变化。在这个过程中，首先将散热器加热到 150°C，然后慢慢冷却。然后施加范围从 10A 到 240A 的小电流尖峰，相差 10A。当温度下降 5°C 时施加新的电流脉冲，当温度达到 35°C 时程序停止[1]。

短暂的电流脉冲持续时间与时间间隔相结合，以确保结温和散热器温度相等。完成这个过程需要 90 分钟。在主动冷却的帮助下，可以缩短该测试的持续时间。

自适应电流限制

温度反馈可以通过直接限制输出条件来避免在直流输出条件下出现故障的风险。与其他 MOSFET 相比，MOSFET 的 SWaH 和 SWaL 的温度较低，并且由于组件的参数分散，传导电阻也较低。

调试测试结果

Ꝋ jswx (V Swx , i Swx ) 是从调试测试中得到的数据写入的标准格式。在这种情况下，由于测量困难，未报告在小于 30A 的低电流下获得的数据。从 LUT 获得的正电流直接用于温度测量，但负电流不能用于电流测量，因为无法计算 MOSFET 和二极管之间的共享电流。关于如何去耦二极管和 MOSFET 电流的更多考虑正在进行中。

收集到的数据可以使用二维表示进行分析。图 3 显示了 R on作为不同电流脉冲值的结温函数。该图显示，在 240A 的电流下，当结温从 30°C 上升到 150°C 时，R on增加了 62% [1]。图 4 显示了 R on在不同结温范围内作为电流的函数。结果表明是R上在 150°C 的结温下，电流从 30A 变为 240A 时增加 3% [1]。估计获得良好温度的两个依赖关系。结温会影响 FET 及其相应二极管之间共享的电流。由于二极管是反并联的，在负电流的情况下，其中一个二极管开始传导 MOSFET 的电流，从而降低导通电阻。

图 3：对于不同电流脉冲值，R on作为结温的函数

图 4：R on作为不同结温范围内的电流的函数。

结论

利弊

转换器的运行不受温度测量过程的影响。这个温度检测过程不需要额外的电路，它可以直接应用于转换器。v on测量所需的电路便宜、稳定并且提供较少的 EMC 问题。不涉及复杂的计算。这种方法可以在工业用微控制器上实现，为了开发目的，转换器嵌入在 FPGA 上。温度测量所需的时间 Ѳ j是适中的。

由于反向并联二极管传导部分电流，因此无法估计电流的负值时的结温。这个问题在热上并不重要，因为损耗在 MOSFET 和二极管之间共享。如果我们去掉反并联二极管，也可以估计负电流的结温，因为 MOSFET 的行为是对称的。这些模块是可用的，并将在未来进行测试。在小于 30A 的小电流的情况下，由于较差的信噪比，估计的 Ѳ j将不准确。

老化

正如我们所知，组件 R on的老化随着结温 [11] 和 [12] 的增加而增加，因此温度估算器无法准确测量组件的温度，但在基于 SiC 的器件中，R on 的这种增加是适度的这允许更准确地估计温度。该技术用于电源转换器以加速老化过程。

应用

所提出的技术可以以很少的成本和障碍应用于所有类型的开关转换器。可能受益的应用程序是：

频繁过载的应用，如伺服驱动器和电动汽车。

应用程序的故障或故障可能会伤害人员的安全关键应用程序

安全裕度电路成本高昂的高功率应用。

冷却组件很重要的高功率密度应用。

审核编辑：郭婷