一种用于瞬态极端应力的SiCMOSFET结温监测系统及方法

本发明属于功率半导体器件，具体涉及一种用于瞬态极端应力的sicmosfet结温监测系统及方法。

背景技术：

1、与si基器件相比，sic mosfet在高开关频率、高功率密度、高可靠性方面具有优势，在功率转换领域具有很高的应用潜力。然而，sic mosfet在实际工况中不免会承受瞬态极端应力的冲击，瞬态极端应力失效机理复杂，其失效的关键判据之一为器件结温上升至源极金属铝熔点940k或sic本征温度1500k(此温度下器件本征载流子浓度达到背景掺杂浓度)。因此，如何准确获得sic mosfet瞬态极端应力过程中结温，并对器件进行失效预警，是功率转换系统中sic mosfet安全可靠工作的基础。

2、现有的sic mosfet结温监测分为直接监测与间接监测，直接监测又分为物理接触式与光学非接触式。直接监测法测量的是器件实际准确温度，但该方法需要在系统中添加额外元件或对器件进行开盖处理，具有侵入性与破坏性，不适用于瞬态极端应力过程中的结温监测。间接监测分为热阻网络法与热敏参数法。瞬态极端应力下热边界在热阻网络法中难以准确界定，热阻网络模型参数较难校准，不适用于瞬态极端应力过程中的结温监测。而热敏参数法通过测量温度相关电学参数以获取器件结温，该方法以其非破坏性非侵入性优势，适用于sic mosfet瞬态极端应力下的结温监测。

技术实现思路

1、本发明目的在于解决瞬态极端应力下sic mosfet器件结温难以监测的问题。基于器件关断过程中热敏参数关断延时tdoff，本发明提出了一种适用于瞬态极端应力(雪崩应力、短路应力、浪涌应力)下结温监测系统与方法，该方法适用于实际功率转换系统中器件在承受瞬态极端应力时的结温监测，实现器件瞬态极端应力过程中的结温在线监测与预警，为功率转换系统安全可靠工作提供保证。

2、本发明的技术方案是：

3、一种用于瞬态极端应力的sic mosfet结温监测系统，其特征在于，包括栅驱动单元、感性负载单元、电压采样单元、负载电流采样单元、关断延迟时间测量单元和瞬态结温计算单元；

4、所述栅驱动单元与sic mosfet的栅极连接，用于生成控制信号控制sic mosfet器件的开通与关断，具体为：栅驱动单元包括第一栅驱动单元、第二栅驱动单元和第三栅驱动单元，其中第一栅驱动单元用于在瞬态极端应力模式下控制sic mosfet器件开通与关断，第二栅驱动单元和第三栅驱动单元用于在稳态开关模式下制sic mosfet器件开通与关断；

5、所述电压采样单元用于采样sic mosfet的漏源电压与栅源电压，具体为，电压采样单元包括第一电压采样单元和第二电压采样单元，其中第一电压采样单元与sic mosfet器件的栅极与源极相连，第二电压采样单元与sic mosfet器件的漏极与源极相连，第一电压采样单元与第二电压采样单元分别对sic mosfet的栅源电压和漏源电压进行采样，并对采样数据进行存储；

6、所述负载电流采样单元连接在sic mosfet的漏极和感性负载单元之间，负载电流采样单元用于对sic mosfet的漏源电流进行采样，并对采样数据进行存储；

7、所述关断延迟时间测量单元连接在负载电流采样单元与感性负载单元的连接点，关断延迟时间测量单元包含预测量单元与关断测量单元，其中预测量单元与关断测量单元存在运行顺序，预测量单元首先进行sic mosfet器件稳态开关模式下关断延时与结温的关系函数拟合，然后关断延迟时间测量单元在待测sic mosfet器件进入瞬态极端应力后进行关断延时的测量，预测量单元在sic mosfet器件未进入瞬态极端应力时进行关断延时与结温的关系函数拟合为不同母线电压与不同负载电流下关断延时关于sic mosfet结温的一次线性函数：

8、

9、其中，tdoff为关断延时，α1、β1、γ1、λ1、α2、β2、γ2、λ2为拟合常数，由不同结温下测量关断延时得到，vds为漏源电压，由第二电压采样单元得到，ids为负载电流，由负载电流采样单元得到，tj是器件结温；

10、所述瞬态结温计算单元的输入与关断延迟时间测量单元的输出连接，瞬态结温计算单元的计算目标为关断延迟时间测量单元得到的瞬态极端应力后器件关断延时，采用多项式拟合反推极端应力结束时刻的关断延时，根据一次线性函数得到器件结温tj。

11、进一步的，所述瞬态极端应力模式包括雪崩模式、短路模式和浪涌模式。

12、进一步的，所述稳态开关模式下为sic mosfet器件栅极施加50％占空比的方波，高电平18v，低电平-3v，母线电压800v。

13、用于一种用于瞬态极端应力的sic mosfet结温监测系统的监测方法，包括以下步骤：

14、s1、预测量环节：

15、关断延迟时间测量单元中预测量单元工作，进行待测sic mosfet器件未进入瞬态极端应力时进行关断延时与结温的关系函数拟合；

16、s2、瞬态极端应力环节：

17、在第一栅驱动单元、第二栅驱动单元、第三栅驱动单元的控制下，结温监测系统切换至瞬态极端应力模式，待测sic mosfet器件进入瞬态极端应力状态；

18、s3、稳态开关环节：

19、在第一栅驱动单元、第二栅驱动单元、第三栅驱动单元的控制下，结温监测系统切换至稳态开关模式，待测sic mosfet器件进入稳态开关状态，关断延迟时间测量单元进行待测sic mosfet器件关断延时的测量；

20、s4、瞬态结温计算环节：

21、在关断延迟时间测量单元进行待测sic mosfet器件关断延时的测量后，瞬态结温计算单元采用多项式拟合反推极端应力结束时刻的关断延时，根据一次线性函数得到器件结温tj。

22、本发明的有益效果为：1)本发明提出的适用于瞬态极端应力下结温监测系统兼容半桥开关电路，系统搭建简单，易于操作，经济成本低。2)本发明提出的适用于瞬态极端应力下结温监测方法与传统的通过测量关断延时监测结温的方法不同，本方法适用于瞬态极端应力下器件结温监测，可实现器件瞬态极端应力过程中的结温在线监测与预警，为功率转换系统安全可靠工作提供保证。

技术特征：

1.一种用于瞬态极端应力的sic mosfet结温监测系统，其特征在于，包括栅驱动单元、感性负载单元、电压采样单元、负载电流采样单元、关断延迟时间测量单元和瞬态结温计算单元；

2.根据权利要求1所述的一种用于瞬态极端应力的sic mosfet结温监测系统，其特征在于，所述瞬态极端应力模式包括雪崩模式、短路模式和浪涌模式。

3.根据权利要求1所述的一种用于瞬态极端应力的sic mosfet结温监测系统，其特征在于，所述稳态开关模式下为sic mosfet器件栅极施加50％占空比的方波，高电平18v，低电平-3v，母线电压800v。

4.用于如权利要求1所述的一种用于瞬态极端应力的sic mosfet结温监测系统的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明属于功率半导体器件技术领域，具体涉及一种用于瞬态极端应力的SiC MOSFET结温监测系统及方法。基于器件关断过程中热敏参数关断延时t<subgt;doff</subgt;，本发明提出了一种适用于瞬态极端应力(雪崩应力、短路应力、浪涌应力)下结温监测系统与方法，该方法适用于实际功率转换系统中器件在承受瞬态极端应力时的结温监测，实现器件瞬态极端应力过程中的结温在线监测与预警，为功率转换系统安全可靠工作提供保证。

技术研发人员：李轩,吴一帆,赵汉青,许士康,邓小川,张波
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16