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栅极电压凹陷作为碳化硅MOSFET在线健康监测的新指标
Gate Voltage Dip as a New Indicator for Online Health Monitoring of SiC MOSFETs
| 作者 | Mathis Picot-Digoix · Frédéric Richardeau · Jean-Marc Blaquière · Sébastien Vinnac · Stéphane Azzopardi · Thanh-Long Le |
| 期刊 | IEEE Transactions on Power Electronics |
| 出版日期 | 2024年10月 |
| 技术分类 | 功率器件技术 |
| 技术标签 | SiC器件 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | 碳化硅MOSFET 电荷俘获机制 晶体管性能 健康监测 栅极电压波形 |
语言:
中文摘要
由于碳化硅/二氧化硅界面质量不佳以及其栅氧化层较薄,碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(SiC MOSFET)比硅金属氧化物半导体场效应晶体管(Si MOSFET)更易受电荷俘获机制的影响。随着时间的推移,这些现象会加剧,导致晶体管性能下降和损耗增加。为了监测这种老化机制,本文提出了一种模拟方法,用于从栅极电压($V_{GS}$)波形中提取一个新发现的健康指标。这是通过使用双通道有源栅极驱动器减缓特定的导通过程来实现的。随后,该在线健康监测方法在一台1200 V - 36 A的碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管上进行了实验验证,验证分别在空载和脉冲宽度调制条件下进行。
English Abstract
Due to the poor quality of the silicon carbide / silicon dioxide interface realization and their thin gate oxide layer, SiC mosfets are more susceptible to charge-trapping mechanisms than silicon mosfets. These phenomena are amplified over time, resulting in decreased transistor performance and increased losses. To monitor this aging mechanism, an analog method is proposed to extract a newly discovered health indicator from the gate voltage (VGS) waveform. This is accomplished by slowing down a specific turn-on using a dual-channel active gate driver. The online health monitoring method is then experimentally validated on a 1200 V-36 A SiC mosfet in both no-load and pulsewidth modulation conditions.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项基于栅极电压监测的SiC MOSFET在线健康管理技术具有重要的战略价值。作为光伏逆变器和储能系统的核心功率器件,SiC MOSFET的可靠性直接影响系统的整体性能和生命周期成本。
该技术针对SiC器件固有的电荷俘获机制导致的性能退化问题,提出了创新的模拟监测方法。通过双通道有源栅极驱动器在特定开通过程中减缓开关速度,从栅极电压波形中提取健康指标,这为我们的产品提供了预测性维护能力。对于阳光电源部署在全球的大规模光伏电站和储能项目,这种在线监测技术可以实现从被动维修向主动预防的转变,显著降低非计划停机损失,提升系统可用率。
从应用价值看,该技术可直接集成到我们现有的智能逆变器和储能变流器平台中。通过实时监测功率模块的健康状态,结合大数据分析,能够建立更精准的器件寿命预测模型,优化质保策略,同时为客户提供差异化的资产管理服务。这对于提升阳光电源在高端市场的竞争力尤为关键。
技术挑战方面,双通道驱动器的实现会增加硬件复杂度和成本,需要评估其在大规模量产中的经济性。此外,健康指标与实际失效模式的关联性需要长期数据积累验证。建议我们的研发团队可以考虑在新一代SiC平台上开展验证性测试,探索将该技术与现有的温度、电流监测形成多维度健康管理体系,为构建更智能、更可靠的新能源装备奠定技术基础。