功率 MOSFET 中的SiC（碳化硅）與其對應物相比具有一系列優(yōu)勢，例如更高的導電性、更低的開關速度和更低的傳導損。它還可以在更高的溫度和電壓下運行。憑借這些優(yōu)勢，它提高了功率 MOSFET 的效率和功率密度。SiC MOSFET 是在大約十年前推出的，但仍然存在一些問題，例如高成本、低可靠性以及其他一些挑戰(zhàn)，例如高 dv/dt 附加到它。結溫是功率半導體的關鍵點，應保持在標準范圍內(nèi)。在操作期間，結的溫度是估計的或未知的，這就是設計人員必須保持巨大的安全邊際。現(xiàn)在，為了測量功率器件的溫度，已經(jīng)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，這種方法也很關鍵[7]。?這里是 IEEE 文章。

現(xiàn)在使用的唯一方法是將電熱模型與 DBC（直接粘合銅）基板或通過熱敏電阻 [8]-[10] 的散熱器的溫度檢查器連接在一起的方法。這些模型有些粗糙，可能會導致估計錯誤。早期的基于 TSEP（熱敏電參數(shù)）的技術現(xiàn)在被認為是一種重要的方法，并用于結溫指示器。大多數(shù)基于 TSEP 的方法目前僅限于受控條件下的實驗室。它們用于數(shù)據(jù)表編譯，為沒有專用設備的真實案例提供創(chuàng)造性的解決方案。當?shù)谝粋€ POC 轉(zhuǎn)換器獲得良好結果時，分析了對新三相逆變器的需求。

設置

原型如圖所示。圖 2 顯示了所提出的電源轉(zhuǎn)換器的電路圖。在正負電流值上引入了傳導電壓的附加測量。建議的功率轉(zhuǎn)換器具有 3 個 SiC 功率模塊，擊穿電壓為 1.2KV。在 60 攝氏度和 600V DC 工作電壓和 20KHz 開關頻率下的 RMS 電流為 180A [1]。在圖。從圖 2 中我們可以看到，每個半橋由 2 個 SiC MOSFET 和 2 個相反方向的二極管組成。所提出的技術可用于每個功率轉(zhuǎn)換器，而不管其幾何形狀。

圖 2：轉(zhuǎn)換器電路圖

V上測量

為了獲得傳導電壓，必須仔細設計測量系統(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 等于直流鏈路電壓。在導通狀態(tài)下，Vds 下降幾伏，Q1 提供恒定電流來激勵 D6。相同的電流通過 D4 和 D6。由于它們接近，兩個二極管處于相同的溫度，并且由于溫度引起的電壓降的任何偏差都得到補償。

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外，無需任何額外設備，在這種情況下，稱為散熱器。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隨電流尖峰變化。在這個過程中，首先將散熱器加熱到 150°C，然后慢慢冷卻。然后施加范圍從 10A 到 240A 的小電流尖峰，相差 10A。當溫度下降 5°C 時施加新的電流脈沖，當溫度達到 35°C 時程序停止[1]。

短暫的電流脈沖持續(xù)時間與時間間隔相結合，以確保結溫和散熱器溫度相等。完成這個過程需要 90 分鐘。在主動冷卻的幫助下，可以縮短該測試的持續(xù)時間。

自適應電流限制

溫度反饋可以通過直接限制輸出條件來避免在直流輸出條件下出現(xiàn)故障的風險。與其他 MOSFET 相比，MOSFET 的 SWaH 和 SWaL 的溫度較低，并且由于組件的參數(shù)分散，傳導電阻也較低。

調(diào)試測試結果

? jswx (V Swx , i Swx ) 是從調(diào)試測試中得到的數(shù)據(jù)寫入的標準格式。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，但負電流不能用于電流測量，因為無法計算 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。

收集到的數(shù)據(jù)可以使用二維表示進行分析。圖 3 顯示了 R on作為不同電流脈沖值的結溫函數(shù)。該圖顯示，在 240A 的電流下，當結溫從 30°C 上升到 150°C 時，R on增加了 62% [1]。圖 4 顯示了 R on在不同結溫范圍內(nèi)作為電流的函數(shù)。結果表明是R上在 150°C 的結溫下，電流從 30A 變?yōu)?240A 時增加 3% [1]。估計獲得良好溫度的兩個依賴關系。結溫會影響 FET 及其相應二極管之間共享的電流。由于二極管是反并聯(lián)的，在負電流的情況下，其中一個二極管開始傳導 MOSFET 的電流，從而降低導通電阻。

圖 3：對于不同電流脈沖值，R on作為結溫的函數(shù)

圖 4：R on作為不同結溫范圍內(nèi)的電流的函數(shù)。

結論

利弊

轉(zhuǎn)換器的運行不受溫度測量過程的影響。這個溫度檢測過程不需要額外的電路，它可以直接應用于轉(zhuǎn)換器。v on測量所需的電路便宜、穩(wěn)定并且提供較少的 EMC 問題。不涉及復雜的計算。這種方法可以在工業(yè)用微控制器上實現(xiàn)，為了開發(fā)目的，轉(zhuǎn)換器嵌入在 FPGA 上。溫度測量所需的時間 ? j是適中的。

由于反向并聯(lián)二極管傳導部分電流，因此無法估計電流的負值時的結溫。這個問題在熱上并不重要，因為損耗在 MOSFET 和二極管之間共享。如果我們?nèi)サ舴床⒙?lián)二極管，也可以估計負電流的結溫，因為 MOSFET 的行為是對稱的。這些模塊是可用的，并將在未來進行測試。在小于 30A 的小電流的情況下，由于較差的信噪比，估計的 ? j將不準確。

老化

正如我們所知，組件 R on的老化隨著結溫 [11] 和 [12] 的增加而增加，因此溫度估算器無法準確測量組件的溫度，但在基于 SiC 的器件中，R on 的這種增加是適度的這允許更準確地估計溫度。該技術用于電源轉(zhuǎn)換器以加速老化過程。

應用

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(zhuǎn)換器。可能受益的應用程序是：

頻繁過載的應用，如伺服驅(qū)動器和電動汽車。

應用程序的故障或故障可能會傷害人員的安全關鍵應用程序

安全裕度電路成本高昂的高功率應用。

冷卻組件很重要的高功率密度應用。

審核編輯：郭婷