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储能系统技术 储能系统 SiC器件 可靠性分析 ★ 4.0

具有定位功能的SiC MOSFET宽温度范围高精度导通电压测量方法

High Accuracy and Wide Temperature Range Converter-level On-State Voltage Measurement With Localization Function for SiC MOSFETs

作者
期刊 IEEE Transactions on Power Electronics
出版日期 2025年1月
技术分类 储能系统技术
技术标签 储能系统 SiC器件 可靠性分析
相关度评分 ★★★★ 4.0 / 5.0
关键词 状态监测技术 导通状态电压 SiC MOSFETs 测量方法 宽温度范围
语言:

中文摘要

状态监测技术可通过实时监测设备的退化过程并实施预测性维护,显著提高系统可靠性。截至目前,导通状态电压是碳化硅(SiC)金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管(MOSFET)最实用的健康监测指标,而其在线提取技术是当前研究面临的一项挑战。现有的变流器级导通状态电压测量电路无法在较宽的温度范围内很好地保持低误差,且无法单独测量每个半导体的导通状态电压。为解决这些局限性,本文提出了一种具有定位功能的宽温度范围、高精度变流器级碳化硅 MOSFET 导通状态电压测量方法。首先,阐述了该方法在单相逆变器中的工作原理和单独测量功能。然后,从理论上分析了所提出电路的稳态误差 $\epsilon_t$ 和响应时间 $T$,以证明该方法的可行性。证明了稳态误差 $\epsilon_t$ 与输入的导通状态电压无关。最后,在电路性能方面与现有电路进行了详细比较,并搭建了一个原型,以验证所提出方法单独测量每个半导体的能力。经验证,该电路在更宽的温度范围(25 °C - 100 °C)内具有更高的精度(约 0.01%)和快速的动态响应(约 450 纳秒)。

English Abstract

Condition monitoring technology can significantly improve system reliability by monitoring the device degradation process in real-time and implementing predictive maintenance. on-state voltage is the most practical health monitoring indicator for SiC mosfets so far, and their online extraction technology is a challenge for current research. Existing converter-level on-state voltage measurement circuits cannot well maintain low error within a wide temperature range and cannot individually measure the on-state voltage of each semiconductor. To address these limitations, this article proposes a wide temperature range and high-accuracy converter-level on-state voltage measurement method with localization function for SiC mosfets. First, the operating principle and individually measured function of the proposed method in a single-phase inverter are illustrated. Then, the steady-state error ϵt and response time T of the proposed circuit are analyzed theoretically to prove the feasibility of the method. It is proved that the ϵt is independent of the input on-state voltage. Finally, a detailed comparison was made with existing circuits in terms of circuit performance and a prototype is built to prove the ability of the proposed method to individually measure each semiconductor. The circuit is verified to have higher accuracy (≈0.01%) over a wider temperature range (25 °C–100 °C) and fast dynamic response (≈450 ns).
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项针对SiC MOSFET的导通压降在线监测技术具有重要的战略价值。作为核心功率器件,SiC MOSFET在我们的光伏逆变器和储能变流器中大量应用,其健康状态直接影响系统可靠性和运维成本。

该技术的核心创新在于实现了宽温域(25-100°C)下的高精度测量(误差≈0.01%)和单器件定位功能。这对阳光电源的产品竞争力提升具有多重价值:首先,通过实时监测导通压降变化可提前预判器件老化趋势,从被动维修转向预测性维护,这对我们在全球部署的大型光伏电站和储能项目意义重大,可显著降低非计划停机损失;其次,单器件定位功能能够精确识别故障器件位置,大幅缩短现场维修时间,提升系统可用率;第三,450纳秒的快速响应时间确保了在高频开关工况下的监测有效性,契合我们新一代高功率密度产品的技术路线。

从技术成熟度评估,该方案基于转换器级测量,避免了器件级改造,具备较好的工程化可行性。但实际应用仍面临挑战:多电平拓扑和并联器件场景下的适配性需验证;长期可靠性数据积累不足;与现有SCADA系统的集成开发工作量较大。建议我们与研究团队建立合作,在MW级储能变流器平台上开展中试验证,重点评估其在复杂工况和全生命周期下的表现,探索将其纳入下一代智能运维系统的可行性,以强化我们在系统可靠性和全生命周期服务方面的差异化优势。