SiC MOSFET栅极漏电流估计的原位方法

与硅 (Si) 相比，碳化硅 (SiC) 为电源转换器设计提供了功率和强度，并增加了高功率密度和效率 。近年来，已经观察到 SiC 的时间故障率降低，现在可与 Si 相媲美。预计栅极氧化物会发生降解，这是限制 SiC 在军事应用、运输和制造业 中广泛使用的一个问题。通过指示可通过监控 SiC MOSFET 来检查的即将发生的故障，可以轻松防止基于 SiC 的功率转换器中的灾难性故障 。根据实际测量的栅极电流计算栅极漏电流是一项挑战。栅极电容器的充电和放电瞬态过程支配着栅极电流。电感器引入了二阶振铃，这使得计算过程更加复杂。上述挑战的解决方案是引入一种用于测量栅极电荷的原位方法。栅极电阻上的差分电压和栅极电流相互成比例，而每个 SiC 器件上的电压由图 1 中的监控电路跟踪。

图 1：监控电路

老化检测

图 2 所示为 SiC MOSFET 老化检测电路。目标是获得在一段时间内以某种方式设法泄漏并进入 MOSFET 栅极的电荷总量。栅极漏电流由传感电路通过测量外栅极电阻 Rg 两端的电压 Vrg 来计算。

图2：老化检测电路

针对给定图所描述的场景表明，即使存在退化的 MOSFET，也没有泄漏。由精密整流器执行的进入栅极的正电流测量消除了该问题。Vs 完全取决于工作占空比，这表明传感电路不足以准确确定导通栅极漏电流。图 2 显示了参考电路。建议同时对积分器输出 vs 和 vr 进行采样，以根据采样时间和占空比独立估计栅极漏电流。

传感电路

图 3 (a) 显示了在栅极电阻两端测得的差分电压 Vrg。50kHz 的开关频率和 0.5 的占空比已被用作 SiC MOSFET 实验设置的统计数据。图 3 (b) 显示了仪表放大器输出 v1，它旨在产生单位增益，从而产生与差分输入相同的输出波形。收集的实验数据已用于获得分析和波形。通过在执行输出电压校准的情况下设置正常的 MOSFET，可以消除开关导通瞬变的影响。

图 3：传感电路的波形

参考电路

参考电路的精密整流器直接接收栅极驱动器输出。精密整流器的增益用 Gr 表示，它是 R3 和 R4 之间的比率。以积分器输出不饱和的方式进行选择。图4（a）、（b）和（c）分别表示波形vg、v3和vr。

图 4：来自参考电路的波形

仿真结果

栅极漏电流可以用以下公式计算：

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

栅极驱动器电路允许知道 Vg-on 和 Rg 的值，而 Gs 和 Gr 的值是通过设计选择的，I _g,lk-on、Vs,cal 和 Vr 的值通过采样计算 。图 5 显示了仿真的波形。漏电流值的准确性受电路和运算放大器等元件的非理想特性的影响，同时也是由于噪声的引入。

图 5：模拟波形

实验设置和结果

图 6 显示了具有 1.7kV SiC MOSFET 和 50kHz 频率的栅极驱动器和老化检测电路的示意图 。下侧 FET 连接到老化电路，并连接了一个外部电阻器以吸收额外的栅极电流。原型如图 7 所示。结果表明，电压 Vs 和 Vr 随时间增加。对不同时间段的 Vs 和 Vr 进行采样有助于计算栅极漏电流。

图 6：实验设置

图 7：原型

结论和未来工作

本文中描述的用于监控 SiC MOSFET 健康状况的技术基于栅极漏电流。宽动态范围和高频率都对以直接方式测量栅极电流提出了挑战。通过实验结果验证了预期的波形。老化检测电路和栅极驱动器的集成可以通过使用健康监测功能创建更可靠的电源转换器设计。其他功率晶体管系列，例如 IGBT 和 GaN，可以使用这种方法来估计栅极电流。

审核编辑：刘清