[發明專利]碳化硅MOSFET結溫在線測量方法及系統

在審

• 申請號: 202210047622.4
• 申請日: 2022-01-17
• 公開（公告）號: CN114414975A
• 公開（公告）日: 2022-04-29
• 發明（設計）人: 郭亞慧;孫鵬;李煥林;蔡雨萌;趙志斌;王異凡;劉黎;邵先軍;曾明全;王少華
• 申請（專利權）人: 華北電力大學;國網浙江省電力有限公司電力科學研究院
• 主分類號: G01R31/26
• 分類號: G01R31/26
• 代理公司: 北京君有知識產權代理事務所(普通合伙) 11630
• 代理人: 焦麗雅

碳化硅MOSFET結溫在線測量方法及系統，包括繪制不同電流等級下碳化硅MOSFET器件動態溫敏電參數值V_DTSEP1、V_DTSEP2與結溫T_j的關系曲線；根據器件動態溫敏電參數值、負載電流I和結溫T_j的關系構建解析模型；根據器件動態溫敏電參數值V_DTSEP1和V_DTESP2、負載電流I和結溫T_j的解析模型以及待測工況下動態溫敏電參數V_DTSEP1和V_DTESP2的值，求取器件不同工況在線運行的負載電流I、確定器件在線運行的結溫。本發明能間接測量碳化硅MOSFET在任何工況下的結溫，為碳化硅在實際應用中可靠性研究，狀態監測以及健康管理提供依據，有利于保證電力系統的可靠運行。

技術領域

本發明涉及一種測量方法及系統，尤其是涉及一種碳化硅MOSFET多個電參數在線結溫測量方法及系統。

背景技術

電力電子器件是電力電子系統的重要組成部分之一，其在電動汽車等領域有著廣泛的應用。電力電子器件實際工況十分嚴苛，為了保證其能夠安全穩定運行，研究其可靠性是非常必要的。

碳化硅功率器件作為新一代寬禁帶半導體器件，與傳統功率器件相比，其具有高阻斷電壓、高開關頻率和耐高溫等優點，在高功率密度電力電子系統中具有廣闊的應用前景，尤其是碳化硅金屬-氧化物半導體場效應晶體管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor,MOSFET)在中小容量高頻變換器中應用效果顯著而備受關注。隨著碳化硅功率器件的成熟，實際應用中的可靠性問題越發突出。芯片溫度升高是引發電力電子器件故障的主要原因之一。因此，實時監測實際工作條件下的碳化硅MOSFET結溫對于其長期運行的可靠性，狀態監測以及健康管理等方面具有十分重要的意義。

目前碳化硅MOSFET的結溫測量方法主要可以分為物理接觸法、光學方法、熱網絡法和溫敏電參數(temperature sensitive electrical parameters,TSEP)法四大類。其中物理接觸法與光學方法雖然簡單易實施，但都需要破壞或改變封裝結構以留有測量通道，具有較強的侵入性。而且在結溫測量的響應速度方面，由于物理接觸法接觸層熱容的存在、光學方法需要進行相應的光學處理過程、熱網絡法需要進行復雜的模型計算，均受到較大的限制。溫敏電參數法是通過測量隨溫度而變化的電氣參數來表征當前器件溫度，利用器件自身作為溫度傳感器件，將芯片溫度信息間接地反映在部分電氣參數的數值變化上。相比之下溫敏電參數法只需通過外部電氣參數測量，且無需改變原有封裝結構，并可具備μs級別的快速響應能力，是目前非常有潛力的一種結溫在線測量方法。

目前利用溫敏電參數實現碳化硅MOSFET在線結溫測量相關研究中，大量電氣參數具有溫敏特性。

傳統方法大多利用單個參數的溫度敏感特性進行校準測量。其中：

(1)器件靜態溫敏電參數

如閾值電壓，轉移曲線，小電流下的導通電阻以及輸出曲線等的測量條件，不符合器件在線運行工況，難以實現在線結溫測量。

如柵極內阻的測量方法雖然可以適用于開關工況，但是其校準曲線的線性度和靈敏度在很大程度取決于柵極金屬化材料、柵極布局和制造工藝，適用范圍有限。

(2)器件開關過程中的很多參數也隨溫度變化而改變，被稱作動態溫敏電參數(dynamic temperature sensitive electrical parameters,DTSEP)。

如柵極峰值電流、柵極特征電流等反映柵極內阻溫敏特性的相關參數，適用范圍有限。