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功率器件技术 SiC器件 可靠性分析 ★ 4.0

基于联合TSEPs建模的负载无关结温估计方法研究

Load-Independent Junction Temperature Estimation via Combined TSEPs Modeling for SiC MOSFETs

作者 Meng Luo · Kun Tan · Xi Tang · Cungang Hu · Zekun Li · Bing Ji
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 可靠性分析
相关度评分 ★★★★ 4.0 / 5.0
关键词 结温估计 温度敏感电参数 负载无关模型 估计精度 双脉冲测试
语言:

中文摘要

高精度的结温估计对于碳化硅(SiC)金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管(MOSFET)的可靠性和安全运行至关重要。利用对温度敏感的电参数(TSEPs)的方法在监测中被广泛采用,具有非侵入性和热响应快的优点。本文提出了一种与负载无关的结温模型,该模型结合了三个TSEPs,即漏极电压峰值($V_{DS,pk}$)、漏极电流峰值($I_{D,pk}$)和导通延迟时间($t_{d,on}$)。与其他依赖单个或较少TSEPs的方法相比,该模型消除了负载电压和电流的影响,从而提高了估计精度和抗干扰能力。首先,从理论上确定了四个典型的TSEPs及其与结温和负载条件的依赖关系。然后,介绍了通过组合TSEPs的建模方法。通过双脉冲测试实验验证了该方法的有效性和优势。在各种负载条件下,传统的单个TSEP方法的平均绝对百分比误差高达22.56%,而所提出的方法有效地将其降低到了6.31%。

English Abstract

Junction temperature estimation with high precision is crucial to the reliability and safe operating of silicon-carbide (SiC) metal–oxide–semiconductor field-effect transistors (mosfets). Approaches using temperature-sensitive electrical parameters (TSEPs) are widely employed in the monitoring, offering the benefits of noninvasiveness and fast thermal response. This article proposes a load-independent junction temperature model incorporating three TSEPs, the peak drain voltage (VDS,pk), the peak drain current (ID,pk), and the turn-on delay time (td,on). This model eliminates the impact of both load voltage and current, thus improving the estimating accuracy and anti-interference ability compared with other approaches relying on single or fewer TSEPs. Initially, four typical TSEPs and their dependencies on junction temperature and load conditions are established theoretically. Then, the proposed modeling method via combined TSEPs is introduced. Its effectiveness and advantage are experimentally validated with double-pulse tests. Under various loading conditions, the conventional single TSEP method exhibits a mean absolute percentage error of up to 22.56%, whereas the proposed method effectively reduces it to 6.31%.
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SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项基于多参数融合的SiC MOSFET结温估算技术具有重要的应用价值。作为全球领先的光伏逆变器和储能系统供应商,阳光电源产品中大量采用SiC功率器件以实现更高的功率密度和转换效率,而精确的结温监测是保障系统可靠性和延长器件寿命的关键技术。

该论文提出的多温敏参数(TSEP)融合建模方法,通过联合峰值漏源电压、峰值漏极电流和开通延迟时间三个参数,成功消除了负载电压和电流的干扰,将平均绝对误差从传统单参数方法的22.56%降低至6.31%。这一突破对阳光电源的实际应用意义重大:在光伏逆变器和储能变流器中,负载条件随光照、电网状态和充放电工况频繁变化,传统单参数方法容易产生较大偏差,而该技术的负载独立特性能够在复杂工况下保持高精度监测。

从技术成熟度评估,该方法基于双脉冲测试验证,具备较强的理论基础和实验支撑,但向工业化应用转化仍需考虑几个挑战:一是多参数实时采集对硬件和算法的要求较高,需要评估成本增加与可靠性提升的平衡;二是不同SiC器件厂商和封装形式的参数特性差异,需要建立针对性的校准数据库;三是在高温、高湿等恶劣环境下的长期稳定性验证。

该技术为阳光电源提供了重要机遇:可集成到下一代智能功率模块中,实现预测性维护和动态降额管理,提升产品差异化竞争力,特别是在大功率集中式逆变器和工商业储能系统等高可靠性要求场景中具有显著应用前景。建议开展深度技术评估和联合开发,推动其在实际产品中的工程化应用。