與功率MOSFET相比，功率MOSFET中的SiC具有一系列優(yōu)勢，例如更高的電導率，更低的開關速度和更低的傳導損耗[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)。結溫是功率半導體的關鍵點，應將其保持在標準限值以下。在操作過程中，結點的溫度是估算的還是未知的，這就是為什么設計人員必須保持巨大的安全邊際?，F(xiàn)在，為了測量功率設備的溫度，已經開發(fā)了不同的技術。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合在一起的方法。這些模型有些粗糙，可能會導致估計誤差?，F(xiàn)在，基于早期TSEP（熱敏電參數(shù)）的技術被認為是一種重要的方法，并用于結溫指示器。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，無需專用設備即可為實際案例提供創(chuàng)新的解決方案。當從第一個POC轉換器獲得了良好的結果時，就分析了對新型三相逆變器的需求。

設置

原型如圖2所示。1，而圖。圖2示出了所提出的功率轉換器的電路圖。在正和負電流值上引入傳導電壓的附加測量。建議的功率轉換器具有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。所提出的技術可以用于每個功率轉換器，而不管其幾何形狀如何。

圖1：原型轉換器

圖2：轉換器的電路圖

V上測量

為了獲得傳導電壓，必須精心設計測量系統(tǒng)。測量系統(tǒng)必須能夠在PWM模式下以及占空比達到其下限或上限時測量MOSFET的壓降。在關斷狀態(tài)下，Vds等于直流母線電壓。在導通狀態(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，并且可以補償由于溫度引起的電壓降的任何偏差。

調試測試程序

此過程直接在轉換器上執(zhí)行，除了鋁板下方的熱板（在此情況下稱為散熱器）外，無需任何其他設備。兩個熱敏電阻用于測量散熱器的溫度。一個重要的假設是結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。當溫度下降5°C時會施加新的電流脈沖，而當溫度達到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合，以確保結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，其導通電阻也更低。

調測結果

jswx（VSWX，我SWX）是在其中所獲得的數(shù)據(jù)被從調試測試寫入的標準形式。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。關于如何去耦二極管和MOSFET電流的更多考慮正在進行中。

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作為結溫的函數(shù)。該圖表明，在240A電流下，結溫從30°C升至150°C時，R的開度增加62％[1]。圖4顯示了在不同結溫范圍內，Ron作為電流的函數(shù)。結果表明，Ron當結溫為150°C時電流從30A變?yōu)?40A時，電流增加3％[1]。估計兩個相關性以獲得良好的溫度。結溫會影響FET及其對應的二極管之間共享的電流。由于二極管是反并聯(lián)的，因此在負電流的情況下，其中一個二極管開始傳導MOSFET的電流，從而降低了傳導電阻。

圖3：對于不同的電流脈沖值，Ron作為結溫的函數(shù)

圖4：在不同結溫范圍內，Ron作為電流的函數(shù)。

結論

利弊

轉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，它可以直接應用于轉換器。進行測量所需的電路便宜，穩(wěn)定，并減少了EMC問題。不涉及復雜的計算。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。

由于傳導電流的一部分的反并聯(lián)二極管，無法為電流的負值估計結溫。由于損耗在MOSFET和二極管之間分擔，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，因此也可以估算負電流的結溫。此類模塊已上市，并將在未來進行測試。在小電流小于30A的情況下，??估計將不準確由于噪聲差信號比。

老化

眾所周知，隨著結溫[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確地估算溫度。此技術用于功率轉換器中以加速老化過程。

應用領域

所提出的技術可以以很少的成本和障礙應用于所有類型的開關轉換器?？赡苁芤娴膽贸绦蚴牵?/p>

• 伺服驅動器和電動汽車等經常出現(xiàn)過載的應用。
• 安全性至關重要的應用程序，其中應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用。
• 高功率密度應用中，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。都靈都靈理工大學能源部Fausto Stella DENERG

[2]羅姆半導體公司的應用筆記：“ SiC功率器件和模塊”。

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

[4] T. Zhao等人。“基于SiC MOSFET和基于Si IGBT的電機驅動系統(tǒng)的比較”。在：2007 IEEE工業(yè)應用年會。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應用功率電子會議暨展覽會（APEC），佛羅里達州奧蘭多，2012年，第176-181頁。 doi：10.1109 / APEC.2012.6165816。

[8] MJ Whitehead和CM Johnson，“確定多設備功率電子模塊中的熱交叉耦合效應”，2006年第3屆IET國際功率電子，機器和驅動器國際會議– 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模塊的結溫預測”，2006年IEEE工業(yè)應用大會的會議記錄40-第一屆IAS年會，佛羅里達州坦帕市，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模塊的老化前驅體和降解效應，” 2017 IEEE能量轉換大會和博覽會（ 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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