碳化硅設(shè)備或器件因其在不久的將來(lái)在電力電子設(shè)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(zhuǎn)換器應(yīng)用。1由于寬帶隙、高功率密度、低電阻和快速開(kāi)關(guān)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(fù)雜、惡劣、復(fù)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(dǎo)體故障的結(jié)果，2由于半導(dǎo)體器件中出現(xiàn)的溫度水平和變化會(huì)導(dǎo)致電路出現(xiàn)故障，因此建議對(duì)溫度進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋O(jiān)測(cè)，這最終將有助于未來(lái)的健康管理系統(tǒng)。1準(zhǔn)閾值電壓已被用作提取結(jié)溫的一種方法。有關(guān)更多信息，請(qǐng)查看這篇文章。

作為 TSEP 的準(zhǔn)閾值電壓

與 MOS 結(jié)構(gòu)相關(guān)的閾值電壓 (Vth) 是負(fù)責(zé)在器件中創(chuàng)建導(dǎo)電溝道并允許電流在漏極和源極之間流動(dòng)的最小柵極電壓。圖 1 顯示，由于柵極驅(qū)動(dòng)器電壓 (Vgs) 與閾值電壓相比較低，因此在從 t0 到 t1 的導(dǎo)通轉(zhuǎn)換起點(diǎn)處，漏極電流 (Id) 完全為零。已經(jīng)觀察到 Vgs 在到達(dá) t1 時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)?Vth；隨之而來(lái)的是，Id 的值增加。這里，準(zhǔn)閾值電壓的概念已被解釋為對(duì)應(yīng)于導(dǎo)通過(guò)程中的t1時(shí)間的柵極驅(qū)動(dòng)電壓的值。4在圖 1 中呈現(xiàn)負(fù)溫度系數(shù)的結(jié)溫水平升高時(shí)，已經(jīng)注意到 t1 的量減少。 兩個(gè)重要變量（例如閾值電壓和結(jié)溫）之間的現(xiàn)有關(guān)系為變化，因?yàn)橛^察到 Lss' 上的電壓發(fā)生了變化。由于 SiC MOSFET 的開(kāi)爾文源和電源 Lss' 之間存在寄生電感，最終會(huì)通過(guò)電壓的上升來(lái)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(kāi)啟期間的開(kāi)關(guān)波形

圖 2：等效電路

準(zhǔn)Vth測(cè)量電路及其工作原理

圖 3 顯示了通過(guò)新方法提取準(zhǔn)確準(zhǔn) Vth 的完整過(guò)程，這取決于當(dāng)電源端子和輔助源端子之間的電源驅(qū)動(dòng)器打開(kāi)時(shí)寄生電感上的電壓下降的時(shí)間. 測(cè)量電流的方法已經(jīng)清楚地顯示在圖 3 的框圖中。

圖 3：測(cè)量電路框圖

該圖所示電路包括三部分：

驅(qū)動(dòng)部分

比較部分

采樣保持部分

驅(qū)動(dòng)部分驅(qū)動(dòng)部分
的作用是通過(guò)切換到大驅(qū)動(dòng)電阻來(lái)測(cè)量準(zhǔn)Vth。SiC MOSFET 由 TMS320F28335 通過(guò)隔離信號(hào)產(chǎn)生的 PWM 信號(hào)驅(qū)動(dòng)。

比較部分
該部分負(fù)責(zé)將Vss'中存在的模擬脈沖轉(zhuǎn)換為邏輯信號(hào)。

采樣保持部分
差分放大器 AMP1 用于在導(dǎo)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(zhǔn) Vth 由閉合的 JFET 保持。

實(shí)驗(yàn)裝置

圖 4 顯示了為實(shí)驗(yàn)所做的測(cè)試。本實(shí)驗(yàn)由帶雙脈沖測(cè)試電路的被測(cè)設(shè)備、續(xù)流二極管、驅(qū)動(dòng)回路和負(fù)載電感組成。

圖 4：用于實(shí)驗(yàn)的等效電路

圖 5 顯示了要進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)的完整設(shè)置。對(duì)于測(cè)試設(shè)備，使用了 SiC MOSFET 和 TO-247。使用雙脈沖測(cè)試板安裝設(shè)備，熱量由 J946 溫度控制器提供，該控制器實(shí)際上對(duì)分立設(shè)備中的閉環(huán)溫度進(jìn)行控制。圖 6 顯示了如何使用 IR 攝像機(jī)捕獲條形芯片。

圖 5：完整的實(shí)驗(yàn)設(shè)置

圖 6：結(jié)溫校準(zhǔn)設(shè)置

結(jié)果

結(jié)果表明，閾值電壓與結(jié)溫呈線性關(guān)系；隨著結(jié)從36°C升高到118°C，準(zhǔn)V th變化了0.358 V。負(fù)載電流也從10 A變化到28 A，結(jié)果表明電流變化的影響是幾乎可以忽略不計(jì)，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(dǎo)致準(zhǔn) Vth 的測(cè)量值變小， 并且其值隨著電壓從 200 V 增加到 600 V 而減小。

結(jié)論

本文描述了一種新穎的測(cè)量電路，用于測(cè)量 SiC MOSFET 的實(shí)時(shí)或?qū)嶋H結(jié)溫。可以看出，為了排序和處理數(shù)據(jù)或電流傳感器，不需要任何本質(zhì)上復(fù)雜的算法。本實(shí)驗(yàn)的最終結(jié)果表明，與準(zhǔn)Vth的結(jié)溫存在良好的靈敏度、線性關(guān)系。SiC MOSFET 在雙脈沖測(cè)試下的溫度系數(shù)為–4.3mV /°C。負(fù)載電流不對(duì)該技術(shù)負(fù)責(zé)，它與直流母線電壓直接相關(guān)，不影響上述線性和靈敏度因素。所有數(shù)據(jù)均從真實(shí)來(lái)源仔細(xì)收集。

審核編輯：劉清