SiC MOSFET的实时结温监控电路及其影响因素

碳化硅设备或器件因其在不久的将来在电力电子设备中取代传统硅器件的可能性而闻名，特别是用于大功率转换器应用。1由于宽带隙、高功率密度、低电阻和快速开关频率的可用性，所有这一切都是可能的。高可靠性电力系统需要复杂、恶劣、复杂的条件和环境才能工作。经历故障的大多数情况是功率半导体故障的结果，2由于半导体器件中出现的温度水平和变化会导致电路出现故障，因此建议对温度进行适当的监测，这最终将有助于未来的健康管理系统。1准阈值电压已被用作提取结温的一种方法。有关更多信息，请查看这篇文章。

作为 TSEP 的准阈值电压

与 MOS 结构相关的阈值电压 (Vth) 是负责在器件中创建导电沟道并允许电流在漏极和源极之间流动的最小栅极电压。图 1 显示，由于栅极驱动器电压 (Vgs) 与阈值电压相比较低，因此在从 t0 到 t1 的导通转换起点处，漏极电流 (Id) 完全为零。已经观察到 Vgs 在到达 t1 时转变为 Vth；随之而来的是，Id 的值增加。这里，准阈值电压的概念已被解释为对应于导通过程中的t1时间的栅极驱动电压的值。4在图 1 中呈现负温度系数的结温水平升高时，已经注意到 t1 的量减少。 两个重要变量（例如阈值电压和结温）之间的现有关系为变化，因为观察到 Lss' 上的电压发生了变化。由于 SiC MOSFET 的开尔文源和电源 Lss' 之间存在寄生电感，最终会通过电压的上升来反映，因此存在电压以同步方式突然升高的高端可能性。图 2 显示了四引脚 SiC MOSFET 的等效电路。

图 1：开启期间的开关波形

图 2：等效电路

准Vth测量电路及其工作原理

图 3 显示了通过新方法提取准确准 Vth 的完整过程，这取决于当电源端子和辅助源端子之间的电源驱动器打开时寄生电感上的电压下降的时间. 测量电流的方法已经清楚地显示在图 3 的框图中。

图 3：测量电路框图

该图所示电路包括三部分：

驱动部分

比较部分

采样保持部分

驱动部分驱动部分
的作用是通过切换到大驱动电阻来测量准Vth。SiC MOSFET 由 TMS320F28335 通过隔离信号产生的 PWM 信号驱动。

比较部分
该部分负责将Vss'中存在的模拟脉冲转换为逻辑信号。

采样保持部分
差分放大器 AMP1 用于在导通瞬态阶段之间获得 Vgs。

已经注意到，通常 SiC MOSFET 的 Vgs 后面是电容器 C，而准 Vth 由闭合的 JFET 保持。

实验装置

图 4 显示了为实验所做的测试。本实验由带双脉冲测试电路的被测设备、续流二极管、驱动回路和负载电感组成。

图 4：用于实验的等效电路

图 5 显示了要进行的实验的完整设置。对于测试设备，使用了 SiC MOSFET 和 TO-247。使用双脉冲测试板安装设备，热量由 J946 温度控制器提供，该控制器实际上对分立设备中的闭环温度进行控制。图 6 显示了如何使用 IR 摄像机捕获条形芯片。

图 5：完整的实验设置

图 6：结温校准设置

结果

结果表明，阈值电压与结温呈线性关系；随着结从36°C升高到118°C，准V th变化了0.358 V。负载电流也从10 A变化到28 A，结果表明电流变化的影响是几乎可以忽略不计，但 Vds（直流母线电压）的影响更大。 由于电容器 Cgd，直流母线电压的增加导致准 Vth 的测量值变小， 并且其值随着电压从 200 V 增加到 600 V 而减小。

结论

本文描述了一种新颖的测量电路，用于测量 SiC MOSFET 的实时或实际结温。可以看出，为了排序和处理数据或电流传感器，不需要任何本质上复杂的算法。本实验的最终结果表明，与准Vth的结温存在良好的灵敏度、线性关系。SiC MOSFET 在双脉冲测试下的温度系数为–4.3mV /°C。负载电流不对该技术负责，它与直流母线电压直接相关，不影响上述线性和灵敏度因素。所有数据均从真实来源仔细收集。

审核编辑：刘清