[發明專利]一種內嵌SiC-GTO器件正向阻斷特性監測與診斷方法

有效

• 申請號: 201810730895.2
• 申請日: 2018-07-05
• 公開（公告）號: CN109143014B
• 公開（公告）日: 2020-10-27
• 發明（設計）人: 劉利芳;邢占強;李俊燾;劉寅宇
• 申請（專利權）人: 中國工程物理研究院電子工程研究所
• 主分類號: G01R31/26
• 分類號: G01R31/26
• 代理公司: 成都天嘉專利事務所(普通合伙) 51211
• 代理人: 蔣斯琪

本發明公開了一種內嵌SiC?GTO器件正向阻斷特性監測與診斷方法，該方法在高溫反偏試驗的基礎上，針對SiC?GTO功率器件提出以AG結電學特性作為器件阻斷電壓的間接表征參數，并基于所設計監測采樣電路和相關向量機算法對器件的正向阻斷性能進行評估，整套方法可有效的對SiC?GTO器件正向阻斷特性進行在線監測；該方法填補了目前對SiC?GTO正向特性阻斷內嵌監測與診斷方法研究的空白，通過選取低壓特征參數對正向阻斷特性進行間接表征，克服了目前器件阻斷特性測試過程中對專用高壓設備的依賴性，并通過內嵌監測電路可在線對SiC?GTO器件正向阻斷特性監測，實現監測電路與功率電路本身的高度集成，應用場合靈活，節約經濟成本和人力成本。

技術領域

本發明涉及SiC-GTO功率器件健康狀態的內嵌監測與診斷技術領域，具體是一種內嵌SiC-GTO器件正向阻斷特性監測與診斷方法。

背景技術

近年來，基于寬禁帶半導體材料碳化硅(SiC)的高壓功率器件迅速發展。SiC-GTO功率器件具有高阻斷電壓、大電流、快速關斷、低正向導通壓降以及耐高溫等優點，同時具有比SiC MOSFET更低的導通電阻，比Si IGBT和SiC IGBT更低的導通壓降、更低的功耗和更高的工作溫度，使得SiC-GTO功率器件成為高壓、大功率應用的研究熱點。功率器件是影響電力電子系統可靠性的最主要部件之一，其性能的優劣直接影響電力電子系統的整體可靠性，因此對SiC-GTO器件可靠性及在線監測方法的研究極其必要。電力電子功率器件應用的主要特性就是耐高壓、大電流及高溫，由這些綜合應力導致SiC-GTO的阻斷電壓產生退化。而器件的阻斷電壓作為衡量其性能的重要參數，由于高達幾千伏，測量過程中需采用專門高壓設備(如半導體參數測試儀等)進行移位測量，由于該類設備制造成本高，設備占據空間體積較大，且測試設備需要精度高，不適合搬移，無法在實際電路器件工作電路中或器件工作狀態下對其進行在線監測，需要從系統中將器件拆除才能夠進行測試，因此難以在器件工作電路中對其阻斷特性進行直接測量或者在不同應用場地進行就地靈活測試，且人工操作測試設備進行測試分析，效率較低，所以極大限制了該器件監測的應用。從而，研究SiC-GTO在低壓條件下的阻斷特性表征參數并通過內嵌監測電路對其特性進行在線監測在實際應用中具有重要意義。

發明內容

本發明提供了一種內嵌SiC-GTO器件正向阻斷特性監測與診斷方法，該方法以SiC-GTO AG結電壓電流特性的內嵌采集并結合信號處理算法來間接表征器件阻斷特性退化(AG結電學特性內嵌只需低壓，不需要高壓，具有可測性)，整體思路為：以功率器件SiC-GTO為對象，通過高溫反偏加速試驗，基于外部高壓測試設備對器件在高溫高壓工作條件下的正向阻斷特性進行監測，梳理其正向阻斷電壓(Blocking voltage,BV)和器件靜態特性間的對應關系，并選取器件GA兩端(器件柵極Gate與陽極Anode之間)在低壓條件下的漏電流作為器件正向阻斷特性的表征參數，基于監測采樣電路對GA的伏安特性曲線進行采集，然后采用信號處理方法如三次指數平滑法對GA的漏電流曲線進行處理，最后采用相關向量機方法針對GA端處理后的漏電流曲線對器件的BV進行評估，實現SiC-GTO器件正向阻斷特性的內嵌監測。

SiC-GTO器件正向阻斷特性監測主要是在低壓條件下獲得表征器件正向阻斷特性的特征參數，并通過信號處理和相應的評估算法對器件的正向阻斷特性進行監測與診斷。常用的評估方法主要有神經網絡、支持向量機和相關向量機等，每種方法都有其特點及適用范圍。其中，相關向量機是一種基于貝葉斯理論的稀疏概率的機器學習方法，是對SiC-GTO器件正向阻斷特性進行狀態評估的有效方法。相關向量機運用主動相關決策理論實現了模型的稀疏化，提供概率式的預測并減少模型預測時間，同時一部分模型參數可以通過自適應的迭代獲取最優解，調節參數較少，便于模型優化，在處理小樣本問題時具有較高的運算精度，是針對SiC-GTO器件的阻斷特性監測的理想選擇。下面具體描述結合相關向量機有效進行檢測的本發明的技術方案。

本發明的技術方案如下：

一種內嵌SiC-GTO器件正向阻斷特性監測與診斷方法，具體方法步驟如下：