與功率MOSFET相比，功率MOSFET中的SiC具有一系列優(yōu)勢，例如更高的電導(dǎo)率，更低的開關(guān)速度和更低的傳導(dǎo)損耗[1] [2]-[6]。它還在較高的溫度和電壓下工作。有了這樣的好處，它可以提高功率MOSFET的效率和功率密度。SiCMOSFET大約在十年前問世，但仍然存在一些問題，例如成本高，可靠性低以及附加的高dv / dt等挑戰(zhàn)。結(jié)溫是功率半導(dǎo)體的關(guān)鍵點，應(yīng)將其保持在標(biāo)準(zhǔn)限值以下。在操作過程中，結(jié)點的溫度是估算的還是未知的，這就是為什么設(shè)計人員必須保持巨大的安全邊際。現(xiàn)在，為了測量功率設(shè)備的溫度，已經(jīng)開發(fā)了不同的技術(shù)。一種方法包括使用與芯片直接接觸的熱敏電阻，但由于絕緣問題和測量延遲，該方法也很關(guān)鍵[7]。

現(xiàn)在使用的唯一方法是將電熱模型與通過熱敏電阻[8]-[10]的DBC（直接鍵合銅）基板或散熱器的溫度檢測器結(jié)合在一起的方法。這些模型有些粗糙，可能會導(dǎo)致估計誤差?，F(xiàn)在，基于早期TSEP（熱敏電參數(shù)）的技術(shù)被認(rèn)為是一種重要的方法，并用于結(jié)溫指示器。目前，大多數(shù)基于TSEP的方法僅限于受控條件下的實驗室。它們用于數(shù)據(jù)表編譯，無需專用設(shè)備即可為實際案例提供創(chuàng)新的解決方案。當(dāng)從第一個POC轉(zhuǎn)換器獲得了良好的結(jié)果時，就分析了對新型三相逆變器的需求。

設(shè)置

原型如圖2所示。1，而圖。圖2示出了所提出的功率轉(zhuǎn)換器的電路圖。在正和負(fù)電流值上引入傳導(dǎo)電壓的附加測量。建議的功率轉(zhuǎn)換器具有3個SiC功率模塊，其擊穿電壓為1.2KV。RMS電流在60攝氏度時為180A，工作電壓為600V DC，開關(guān)頻率為20KHz [1]。在圖。從圖2中可以看到，每個半橋由兩個方向相反的SiC MOSFET和2個二極管組成。所提出的技術(shù)可以用于每個功率轉(zhuǎn)換器，而不管其幾何形狀如何。

圖1：原型轉(zhuǎn)換器

圖2：轉(zhuǎn)換器的電路圖

V上測量

為了獲得傳導(dǎo)電壓，必須精心設(shè)計測量系統(tǒng)。測量系統(tǒng)必須能夠在PWM模式下以及占空比達(dá)到其下限或上限時測量MOSFET的壓降。在關(guān)斷狀態(tài)下，Vds等于直流母線電壓。在導(dǎo)通狀態(tài)下，Vds下降幾伏，而Q1提供恒定電流以激勵D6。相同的電流流經(jīng)D4和D6。由于它們的接近度，兩個二極管處于相同的溫度，并且可以補(bǔ)償由于溫度引起的電壓降的任何偏差。

調(diào)試測試程序

此過程直接在轉(zhuǎn)換器上執(zhí)行，除了鋁板下方的熱板（在此情況下稱為散熱器）外，無需任何其他設(shè)備。兩個熱敏電阻用于測量散熱器的溫度。一個重要的假設(shè)是結(jié)點和散熱器的溫度不會隨電流尖峰而變化。在此過程中，首先將散熱器加熱到150°C，然后緩慢冷卻。然后施加10A至240A的小電流尖峰，相差10A。當(dāng)溫度下降5°C時會施加新的電流脈沖，而當(dāng)溫度達(dá)到35°C時程序會停止[1]。

電流脈沖的短持續(xù)時間與時間分隔相結(jié)合，以確保結(jié)溫和散熱器溫度相等。完成此過程花費了90分鐘。在主動冷卻的幫助下，該測試的持續(xù)時間可以減少。

自適應(yīng)電流限制

通過直接限制輸出條件，溫度反饋可以避免在直流輸出條件下發(fā)生故障的風(fēng)險。如果與其他MOSFET相比，MOSFET SWaH和SWaL的溫度更低，并且由于元件的參數(shù)分散性，其導(dǎo)通電阻也更低。

調(diào)測結(jié)果

jswx（VSWX，我SWX）是在其中所獲得的數(shù)據(jù)被從調(diào)試測試寫入的標(biāo)準(zhǔn)形式。在這種情況下，由于測量困難，未報告在小于30A的低電流下獲得的數(shù)據(jù)。從LUT獲得的正電流直接用于溫度測量，但是負(fù)電流不能用于電流測量，因為不可能計算MOSFET和二極管之間的共享電流。關(guān)于如何去耦二極管和MOSFET電流的更多考慮正在進(jìn)行中。

可以通過使用2D表示來分析收集的數(shù)據(jù)。圖3示出了對于不同電流脈沖值，Ron作為結(jié)溫的函數(shù)。該圖表明，在240A電流下，結(jié)溫從30°C升至150°C時，R的開度增加62％[1]。圖4顯示了在不同結(jié)溫范圍內(nèi)，Ron作為電流的函數(shù)。結(jié)果表明，Ron當(dāng)結(jié)溫為150°C時電流從30A變?yōu)?40A時，電流增加3％[1]。估計兩個相關(guān)性以獲得良好的溫度。結(jié)溫會影響FET及其對應(yīng)的二極管之間共享的電流。由于二極管是反并聯(lián)的，因此在負(fù)電流的情況下，其中一個二極管開始傳導(dǎo)MOSFET的電流，從而降低了傳導(dǎo)電阻。

圖3：對于不同的電流脈沖值，Ron作為結(jié)溫的函數(shù)

圖4：在不同結(jié)溫范圍內(nèi)，Ron作為電流的函數(shù)。

結(jié)論

利弊

轉(zhuǎn)換器的操作不受溫度測量過程的影響。此溫度檢測過程不需要額外的電路，它可以直接應(yīng)用于轉(zhuǎn)換器。進(jìn)行測量所需的電路便宜，穩(wěn)定，并減少了EMC問題。不涉及復(fù)雜的計算。這種方法可以在用于工業(yè)的微控制器上實現(xiàn)，并且出于開發(fā)目的，轉(zhuǎn)換器被嵌入到FPGA中。時間??溫度測量需要的是適度的。

由于傳導(dǎo)電流的一部分的反并聯(lián)二極管，無法為電流的負(fù)值估計結(jié)溫。由于損耗在MOSFET和二極管之間分擔(dān)，因此該問題在熱方面并不重要。如果我們卸下反并聯(lián)二極管，則由于MOSFET的行為對稱，因此也可以估算負(fù)電流的結(jié)溫。此類模塊已上市，并將在未來進(jìn)行測試。在小電流小于30A的情況下，??估計將不準(zhǔn)確由于噪聲差信號比。

老化

眾所周知，隨著結(jié)溫[11]和[12]的升高，元件Ron的老化會增加，因此溫度估算器無法準(zhǔn)確測量元件的溫度，但是在SiC基器件中，Ron的增加是適度的這樣可以更準(zhǔn)確地估算溫度。此技術(shù)用于功率轉(zhuǎn)換器中以加速老化過程。

應(yīng)用領(lǐng)域

所提出的技術(shù)可以以很少的成本和障礙應(yīng)用于所有類型的開關(guān)轉(zhuǎn)換器?？赡苁芤娴膽?yīng)用程序是：

• 伺服驅(qū)動器和電動汽車等經(jīng)常出現(xiàn)過載的應(yīng)用。
• 安全性至關(guān)重要的應(yīng)用程序，其中應(yīng)用程序的故障或故障可能會損壞人員
• 安全余量電路成本高昂的大功率應(yīng)用。
• 高功率密度應(yīng)用中，冷卻組件很重要。

參考

[1]用于在線SAE在線估算所有SiC MOSFET的SAE公式的三相逆變器。都靈都靈理工大學(xué)能源部Fausto Stella DENERG

[2]羅姆半導(dǎo)體公司的應(yīng)用筆記：“ SiC功率器件和模塊”。

[3]鮑勃·卡拉南（Bob Callanan）?！疤蓟鐼OSFET的應(yīng)用注意事項”?？死?011年1月。

[4] T. Zhao等人?！盎赟iC MOSFET和基于Si IGBT的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的比較”。在：2007 IEEE工業(yè)應(yīng)用年會。2007年9月，第331-335頁。doi：10.1109 / 07IAS.2007.51。

[5] G. Wang等。“ 1200V 100A SiC MOSFET和1200V 100A硅IGBT的性能比較”。在：2013 IEEE能源轉(zhuǎn)換大會和博覽會。2013年9月，第3230-3234頁。doi：10.1109 / ECCE.2013.6647124。

[6] JW Palmour，“面向工業(yè)市場的碳化硅功率器件開發(fā)”，2014 IEEE國際電子器件會議，舊金山，加利福尼亞，2014年，第1.1.1-1.1.8.doi：10.1109 / IEDM.2014.7046960。

[7] ER Motto和JF Donlon，“具有用戶可訪問的片上電流和溫度傳感器的IGBT模塊”，2012年第二十七屆IEEE應(yīng)用功率電子會議暨展覽會（APEC），佛羅里達(dá)州奧蘭多，2012年，第176-181頁。 doi：10.1109 / APEC.2012.6165816。

[8] MJ Whitehead和CM Johnson，“確定多設(shè)備功率電子模塊中的熱交叉耦合效應(yīng)”，2006年第3屆IET國際功率電子，機(jī)器和驅(qū)動器國際會議– PEMD，2006年，愛爾蘭都柏林，Contarf城堡，第261-265頁。

[9] L. Wei，RJ Kerkman，RA Lukaszewski，BP Brown，N。Gollhardt和BW Weiss，“ DC條件下多芯片IGBT模塊的結(jié)溫預(yù)測”，2006年IEEE工業(yè)應(yīng)用大會的會議記錄40-第一屆IAS年會，佛羅里達(dá)州坦帕市，2006年，第754-762頁。doi：10.1109 / IAS.2006.256611。

[10] H. Chen，B。Ji，V。Pickert和W. Cao，“考慮熱老化效應(yīng)的功率MOSFET的實時溫度估計”，在IEEE Transactions on Device and Materials Reliability，vol。1中。14號1，第220-228頁，2014年3月。doi：10.1109 / TDMR.2013.2292547。

[11] H. Luo，F(xiàn)。Iannuzzo，F(xiàn).Blaabjerg，M.Turnaturi和E.Mattiuzzo，“在高度加速的功率循環(huán)條件下SiC-MOSFET模塊的老化前驅(qū)體和降解效應(yīng)，” 2017 IEEE能量轉(zhuǎn)換大會和博覽會（ ECCE），美國俄亥俄州辛辛那提，2017年，第2506-2511頁。

[12] C. Durand，M。Klingler，D。Coutellier和H. Naceur，“電源模塊的電源循環(huán)可靠性：調(diào)查”，在IEEE Transactions on Device and Materials Reliability，vol。1中。16號1，2016年3月，第80-97頁.doi：10.1109 / TDMR.2016.2516044
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