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功率器件技术 SiC器件 ★ 4.0

通过关断延迟时间灵敏度放大实现SiC MOSFET实时结温监测的新方法

A Novel Method for Real-Time Junction Temperature Monitoring of SiC Mosfet Through Sensitivity Amplification of Turn-Off Delay Time

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
相关度评分 ★★★★ 4.0 / 5.0
关键词 结温 碳化硅MOSFET 关断延迟时间 温度灵敏度 实时监测方法
语言:

中文摘要

结温是碳化硅(SiC)半导体热管理和健康状态监测的关键参数。为了监测结温,基于温度敏感电参数(TSEP)的方法正受到越来越多的关注。在SiC MOSFET的温度敏感电参数中,关断延迟时间在较宽的温度范围内具有良好的线性度。然而,SiC MOSFET关断延迟时间的温度灵敏度较低。在现有关断延迟时间的解决方案中,通常通过增加栅极驱动电阻来延长关断延迟时间并提高温度灵敏度,但这会影响被测器件(DUT)的开关过程并增加开关损耗。为应对这些挑战,本文提出了一种新颖的基于关断延迟时间的实时结温监测方法。该方法在不增加栅极驱动电阻的情况下,放大了关断延迟时间的温度灵敏度。通过改变检测电路参数,可以轻松调整温度灵敏度的放大倍数。测试结果表明,检测电路成功将关断延迟时间的温度灵敏度放大了60.90331倍(接近设定值61),且不影响被测器件的开关过程。一旦被测器件关断,检测电路就能检测到关断延迟时间并输出一个宽脉冲信号,该脉冲信号的脉宽在较宽的温度范围内具有良好的线性度和较高的温度灵敏度,可直接由微控制器进行测试。

English Abstract

Junction temperature is a critical silicon carbide (SiC) semiconductor parameter for thermal management and health condition monitoring. To monitor the junction temperature, the temperature-sensitive electrical parameter (TSEP) method is gaining increasing attention. Among the TSEPs of the SiC mosfet, the turn-off delay time has good linearity over a wide temperature range. However, the temperature sensitivity of the turn-off delay time of SiC mosfet is low. In existing solutions for turn-off delay time, the gate drive resistance is increased to prolong the turn-off delay time and enhance the temperature sensitivity, affecting the switching process of the device under test (DUT) and increasing switching loss. To address these challenges, a novel real-time junction temperature monitoring method is proposed for turn-off delay time. The proposed method amplifies the temperature sensitivity of the turn-off delay time without increasing the gate drive resistance. The gain of the temperature sensitivity amplification can be easily adjusted by changing the detection circuit parameters. According to the test results, the temperature sensitivity of the turn-off delay time is successfully amplified by the detection circuit with a gain of 60.90331 (which is close to the setting value of 61), without affecting the switching process of the DUT. Once the DUT is turned off, the detection circuit can detect the turn-off delay time and output a wide pulse signal, whose pulse width exhibits good linearity and high temperature sensitivity over a wide temperature range, allowing it to be directly tested by a microcontroller.
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SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项SiC MOSFET结温实时监测技术具有重要的应用价值。当前,SiC功率器件已成为我司光伏逆变器和储能变流器的核心部件,其可靠性直接影响系统的整体性能和寿命。结温监测是实现热管理优化和故障预警的关键技术基础。

该论文提出的方法巧妙地解决了传统关断延迟时间法温度灵敏度低的痛点。传统方案通过增大栅极驱动电阻来提升灵敏度,但会增加开关损耗,这在我司追求高效率的产品设计中是不可接受的。新方法在不改变驱动电阻的前提下,通过检测电路实现了60倍以上的灵敏度放大,且增益可调,这为工程化应用提供了灵活性。更重要的是,该方法不影响器件开关过程,可直接由微控制器采样,便于集成到现有的数字控制平台中。

对于阳光电源而言,这项技术可直接应用于以下场景:一是在大功率组串/集中式逆变器中实现SiC模块的精确热管理,通过实时结温反馈动态调整开关频率和功率输出,延长器件寿命;二是在储能PCS系统中构建预测性维护体系,通过结温异常趋势判断器件老化状态,降低系统故障率;三是为液冷等先进热管理方案提供精确的温度反馈信号。

技术挑战主要在于不同SiC器件型号的TSEP特性差异需要建立完整的标定数据库,以及检测电路在高压大电流工况下的抗干扰能力验证。建议我司技术团队跟踪该技术的工程化进展,评估在下一代平台产品中集成应用的可行性,抢占智能功率模块的技术高地。