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一种基于开通栅极电流变化率的SiC MOSFET在线栅氧退化监测方法
An Online Gate Oxide Degradation Monitoring Method for SiC MOSFETs Based on Turn-ON Gate Current Change Rate
| 作者 | |
| 期刊 | IEEE Transactions on Power Electronics |
| 出版日期 | 2025年1月 |
| 技术分类 | 功率器件技术 |
| 技术标签 | SiC器件 可靠性分析 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | 栅氧化层退化 在线状态监测 栅极电流变化率峰值 加速老化测试 双脉冲测试 |
语言:
中文摘要
栅氧化层退化（GOD）是碳化硅金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管面临的一个可靠性问题，尤其是在高温和高电场条件下。本文提出了一种基于开通时栅极电流变化率峰值（$di_g/dt_{,max}$）的在线状态监测方法。该技术利用非侵入式印刷电路板（PCB）罗氏线圈来测量$di_g/dt_{,max}$，具有很高的实用性。在正、负高温栅极偏置以及高温栅极开关条件下进行的加速老化试验揭示了$di_g/dt_{,max}$与栅氧化层退化之间的相关性，老化160小时后，其变化率分别为5.61%、5%和8.33%。双脉冲测试（DPT）结果表明，$di_g/dt_{,max}$不受温度、漏源电压（$V_{ds}$）、漏极电流（$I_{ds}$）和封装老化等外部因素的影响。降压转换器的测试结果进一步验证了长期在线监测的可行性。
English Abstract
Gate oxide degradation (GOD) presents a reliability issue for silicon carbide metal-oxide-semiconductor field-effect transistors, especially under high-temperature and high-electric-field conditions. This letter proposes an online condition monitoring method based on the peak value of the turn-on gate current change rate (dig/dt,max). The technique utilizes a noninvasive PCB Rogowski coil to measure dig/dt,max, demonstrating high practicality. Accelerated aging tests under positive and negative high-temperature gate bias and high-temperature gate switching conditions reveal correlations between dig/dt,max and GOD, with variations of 5.61%, 5% and 8.33%, after 160 h of aging. Double pulse test (DPT) results indicate that dig/dt,max is independent of external factors, such as temperature, drain-source voltage (Vds), drain current (Ids) and package aging. Results from a buck converter further validate the feasibility of long-term online monitoring.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项基于开通栅极电流变化率的SiC MOSFET栅氧化层退化在线监测技术具有重要的战略价值。SiC器件作为公司光伏逆变器和储能系统的核心功率器件，其可靠性直接影响产品全生命周期的性能表现和运维成本。
该技术的核心优势在于其实用性和非侵入性。通过PCB罗氏线圈测量di_g/dt峰值，无需额外传感器或复杂电路改造，这与阳光电源追求高集成度、低成本的产品设计理念高度契合。特别是在户外光伏电站和大型储能项目中，设备长期工作在高温、高电场环境下，栅氧化层退化是导致器件失效的主要原因之一。该监测方法能够在160小时老化测试中检测到5%-8%的参数变化，为预测性维护提供了量化依据。
更重要的是，研究证实di_g/dt_max独立于温度、电压、电流等外部工况因素，这意味着该指标可以作为器件本征退化的可靠标志。这对阳光电源开发智能化运维系统、实现从被动维修向主动预防转变具有突破性意义，能够显著降低电站非计划停机时间，提升系统可用率。
技术挑战主要集中在工程化实施层面：如何在多并联MOSFET拓扑中准确识别单管退化、如何在强电磁干扰环境下保证测量精度、以及如何将监测数据集成到现有的云平台监控体系。建议阳光电源与学术机构合作，在典型产品平台上开展中试验证，重点评估在1500V高压系统和大功率储能PCS中的应用可行性，为下一代智能功率模块的开发奠定技术基础。