功率 MOSFET 中的SiC（碳化硅）與其對(duì)應(yīng)物相比具有一系列優(yōu)勢(shì)，例如更高的導(dǎo)電性、更低的開關(guān)速度和更低的傳導(dǎo)損。它還可以在更高的溫度和電壓下運(yùn)行。憑借這些優(yōu)勢(shì)，它提高了功率 MOSFET 的效率和功率密度。SiC MOSFET 是在大約十年前推出的，但仍然存在一些問(wèn)題，例如高成本、低可靠性以及其他一些挑戰(zhàn)，例如高 dv/dt 附加到它。結(jié)溫是功率半導(dǎo)體的關(guān)鍵點(diǎn)，應(yīng)保持在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。在操作期間，結(jié)的溫度是估計(jì)的或未知的，這就是設(shè)計(jì)人員必須保持巨大的安全邊際。現(xiàn)在，為了測(cè)量功率器件的溫度，已經(jīng)開發(fā)了不同的技術(shù)。一種方法包括使用與芯片直接接觸的熱敏電阻，但由于絕緣問(wèn)題和測(cè)量延遲，這種方法也很關(guān)鍵[7]。?這里是 IEEE 文章。

現(xiàn)在使用的唯一方法是將電熱模型與 DBC（直接粘合銅）基板或通過(guò)熱敏電阻 [8]-[10] 的散熱器的溫度檢查器連接在一起的方法。這些模型有些粗糙，可能會(huì)導(dǎo)致估計(jì)錯(cuò)誤。早期的基于 TSEP（熱敏電參數(shù)）的技術(shù)現(xiàn)在被認(rèn)為是一種重要的方法，并用于結(jié)溫指示器。大多數(shù)基于 TSEP 的方法目前僅限于受控條件下的實(shí)驗(yàn)室。它們用于數(shù)據(jù)表編譯，為沒(méi)有專用設(shè)備的真實(shí)案例提供創(chuàng)造性的解決方案。當(dāng)?shù)谝粋€(gè) POC 轉(zhuǎn)換器獲得良好結(jié)果時(shí)，分析了對(duì)新三相逆變器的需求。

設(shè)置

原型如圖所示。圖 2 顯示了所提出的電源轉(zhuǎn)換器的電路圖。在正負(fù)電流值上引入了傳導(dǎo)電壓的附加測(cè)量。建議的功率轉(zhuǎn)換器具有 3 個(gè) SiC 功率模塊，擊穿電壓為 1.2KV。在 60 攝氏度和 600V DC 工作電壓和 20KHz 開關(guān)頻率下的 RMS 電流為 180A [1]。在圖。從圖 2 中我們可以看到，每個(gè)半橋由 2 個(gè) SiC MOSFET 和 2 個(gè)相反方向的二極管組成。所提出的技術(shù)可用于每個(gè)功率轉(zhuǎn)換器，而不管其幾何形狀。

圖 2：轉(zhuǎn)換器電路圖

V上測(cè)量

為了獲得傳導(dǎo)電壓，必須仔細(xì)設(shè)計(jì)測(cè)量系統(tǒng)。測(cè)量系統(tǒng)必須能夠在 PWM 模式下以及占空比達(dá)到其下限或上限時(shí)測(cè)量 MOSFET 的壓降。在關(guān)斷狀態(tài)下，Vds 等于直流鏈路電壓。在導(dǎo)通狀態(tài)下，Vds 下降幾伏，Q1 提供恒定電流來(lái)激勵(lì) D6。相同的電流通過(guò) D4 和 D6。由于它們接近，兩個(gè)二極管處于相同的溫度，并且由于溫度引起的電壓降的任何偏差都得到補(bǔ)償。

調(diào)試測(cè)試程序

此過(guò)程直接在轉(zhuǎn)換器上執(zhí)行，除了鋁板下方的熱板外，無(wú)需任何額外設(shè)備，在這種情況下，稱為散熱器。兩個(gè)熱敏電阻用于測(cè)量散熱器的溫度。一個(gè)重要的假設(shè)是結(jié)點(diǎn)和散熱器的溫度不隨電流尖峰變化。在這個(gè)過(guò)程中，首先將散熱器加熱到 150°C，然后慢慢冷卻。然后施加范圍從 10A 到 240A 的小電流尖峰，相差 10A。當(dāng)溫度下降 5°C 時(shí)施加新的電流脈沖，當(dāng)溫度達(dá)到 35°C 時(shí)程序停止[1]。

短暫的電流脈沖持續(xù)時(shí)間與時(shí)間間隔相結(jié)合，以確保結(jié)溫和散熱器溫度相等。完成這個(gè)過(guò)程需要 90 分鐘。在主動(dòng)冷卻的幫助下，可以縮短該測(cè)試的持續(xù)時(shí)間。

自適應(yīng)電流限制

溫度反饋可以通過(guò)直接限制輸出條件來(lái)避免在直流輸出條件下出現(xiàn)故障的風(fēng)險(xiǎn)。與其他 MOSFET 相比，MOSFET 的 SWaH 和 SWaL 的溫度較低，并且由于組件的參數(shù)分散，傳導(dǎo)電阻也較低。

調(diào)試測(cè)試結(jié)果

? jswx (V Swx , i Swx ) 是從調(diào)試測(cè)試中得到的數(shù)據(jù)寫入的標(biāo)準(zhǔn)格式。在這種情況下，由于測(cè)量困難，未報(bào)告在小于 30A 的低電流下獲得的數(shù)據(jù)。從 LUT 獲得的正電流直接用于溫度測(cè)量，但負(fù)電流不能用于電流測(cè)量，因?yàn)闊o(wú)法計(jì)算 MOSFET 和二極管之間的共享電流。關(guān)于如何去耦二極管和 MOSFET 電流的更多考慮正在進(jìn)行中。

收集到的數(shù)據(jù)可以使用二維表示進(jìn)行分析。圖 3 顯示了 R on作為不同電流脈沖值的結(jié)溫函數(shù)。該圖顯示，在 240A 的電流下，當(dāng)結(jié)溫從 30°C 上升到 150°C 時(shí)，R on增加了 62% [1]。圖 4 顯示了 R on在不同結(jié)溫范圍內(nèi)作為電流的函數(shù)。結(jié)果表明是R上在 150°C 的結(jié)溫下，電流從 30A 變?yōu)?240A 時(shí)增加 3% [1]。估計(jì)獲得良好溫度的兩個(gè)依賴關(guān)系。結(jié)溫會(huì)影響 FET 及其相應(yīng)二極管之間共享的電流。由于二極管是反并聯(lián)的，在負(fù)電流的情況下，其中一個(gè)二極管開始傳導(dǎo) MOSFET 的電流，從而降低導(dǎo)通電阻。

圖 3：對(duì)于不同電流脈沖值，R on作為結(jié)溫的函數(shù)

圖 4：R on作為不同結(jié)溫范圍內(nèi)的電流的函數(shù)。

結(jié)論

利弊

轉(zhuǎn)換器的運(yùn)行不受溫度測(cè)量過(guò)程的影響。這個(gè)溫度檢測(cè)過(guò)程不需要額外的電路，它可以直接應(yīng)用于轉(zhuǎn)換器。v on測(cè)量所需的電路便宜、穩(wěn)定并且提供較少的 EMC 問(wèn)題。不涉及復(fù)雜的計(jì)算。這種方法可以在工業(yè)用微控制器上實(shí)現(xiàn)，為了開發(fā)目的，轉(zhuǎn)換器嵌入在 FPGA 上。溫度測(cè)量所需的時(shí)間 ? j是適中的。

由于反向并聯(lián)二極管傳導(dǎo)部分電流，因此無(wú)法估計(jì)電流的負(fù)值時(shí)的結(jié)溫。這個(gè)問(wèn)題在熱上并不重要，因?yàn)閾p耗在 MOSFET 和二極管之間共享。如果我們?nèi)サ舴床⒙?lián)二極管，也可以估計(jì)負(fù)電流的結(jié)溫，因?yàn)?MOSFET 的行為是對(duì)稱的。這些模塊是可用的，并將在未來(lái)進(jìn)行測(cè)試。在小于 30A 的小電流的情況下，由于較差的信噪比，估計(jì)的 ? j將不準(zhǔn)確。

老化

正如我們所知，組件 R on的老化隨著結(jié)溫 [11] 和 [12] 的增加而增加，因此溫度估算器無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量組件的溫度，但在基于 SiC 的器件中，R on 的這種增加是適度的這允許更準(zhǔn)確地估計(jì)溫度。該技術(shù)用于電源轉(zhuǎn)換器以加速老化過(guò)程。

應(yīng)用

所提出的技術(shù)可以以很少的成本和障礙應(yīng)用于所有類型的開關(guān)轉(zhuǎn)換器?？赡苁芤娴膽?yīng)用程序是：

頻繁過(guò)載的應(yīng)用，如伺服驅(qū)動(dòng)器和電動(dòng)汽車。

應(yīng)用程序的故障或故障可能會(huì)傷害人員的安全關(guān)鍵應(yīng)用程序

安全裕度電路成本高昂的高功率應(yīng)用。

冷卻組件很重要的高功率密度應(yīng)用。

審核編輯：郭婷