與硅 (Si) 相比，碳化硅 (SiC) 為電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)提供了功率和強(qiáng)度，并增加了高功率密度和效率 。近年來(lái)，已經(jīng)觀察到 SiC 的時(shí)間故障率降低，現(xiàn)在可與 Si 相媲美。預(yù)計(jì)柵極氧化物會(huì)發(fā)生降解，這是限制 SiC 在軍事應(yīng)用、運(yùn)輸和制造業(yè) 中廣泛使用的一個(gè)問題。通過指示可通過監(jiān)控 SiC MOSFET 來(lái)檢查的即將發(fā)生的故障，可以輕松防止基于 SiC 的功率轉(zhuǎn)換器中的災(zāi)難性故障 。根據(jù)實(shí)際測(cè)量的柵極電流計(jì)算柵極漏電流是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。柵極電容器的充電和放電瞬態(tài)過程支配著柵極電流。電感器引入了二階振鈴，這使得計(jì)算過程更加復(fù)雜。上述挑戰(zhàn)的解決方案是引入一種用于測(cè)量柵極電荷的原位方法。柵極電阻上的差分電壓和柵極電流相互成比例，而每個(gè) SiC 器件上的電壓由圖 1 中的監(jiān)控電路跟蹤。

圖 1：監(jiān)控電路

老化檢測(cè)

圖 2 所示為 SiC MOSFET 老化檢測(cè)電路。目標(biāo)是獲得在一段時(shí)間內(nèi)以某種方式設(shè)法泄漏并進(jìn)入 MOSFET 柵極的電荷總量。柵極漏電流由傳感電路通過測(cè)量外柵極電阻 Rg 兩端的電壓 Vrg 來(lái)計(jì)算。

圖2：老化檢測(cè)電路

針對(duì)給定圖所描述的場(chǎng)景表明，即使存在退化的 MOSFET，也沒有泄漏。由精密整流器執(zhí)行的進(jìn)入柵極的正電流測(cè)量消除了該問題。Vs 完全取決于工作占空比，這表明傳感電路不足以準(zhǔn)確確定導(dǎo)通柵極漏電流。圖 2 顯示了參考電路。建議同時(shí)對(duì)積分器輸出 vs 和 vr 進(jìn)行采樣，以根據(jù)采樣時(shí)間和占空比獨(dú)立估計(jì)柵極漏電流。

傳感電路

圖 3 (a) 顯示了在柵極電阻兩端測(cè)得的差分電壓 Vrg。50kHz 的開關(guān)頻率和 0.5 的占空比已被用作 SiC MOSFET 實(shí)驗(yàn)設(shè)置的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。圖 3 (b) 顯示了儀表放大器輸出 v1，它旨在產(chǎn)生單位增益，從而產(chǎn)生與差分輸入相同的輸出波形。收集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)已用于獲得分析和波形。通過在執(zhí)行輸出電壓校準(zhǔn)的情況下設(shè)置正常的 MOSFET，可以消除開關(guān)導(dǎo)通瞬變的影響。

圖 3：傳感電路的波形

參考電路

參考電路的精密整流器直接接收柵極驅(qū)動(dòng)器輸出。精密整流器的增益用 Gr 表示，它是 R3 和 R4 之間的比率。以積分器輸出不飽和的方式進(jìn)行選擇。圖4（a）、（b）和（c）分別表示波形vg、v3和vr。

圖 4：來(lái)自參考電路的波形

仿真結(jié)果

柵極漏電流可以用以下公式計(jì)算：

Vs,cal(Ts)/ Vr(Ts) = (GsRg /GrVg-on) I _g,lk-on

柵極驅(qū)動(dòng)器電路允許知道 Vg-on 和 Rg 的值，而 Gs 和 Gr 的值是通過設(shè)計(jì)選擇的，I _g,lk-on、Vs,cal 和 Vr 的值通過采樣計(jì)算 。圖 5 顯示了仿真的波形。漏電流值的準(zhǔn)確性受電路和運(yùn)算放大器等元件的非理想特性的影響，同時(shí)也是由于噪聲的引入。

圖 5：模擬波形

實(shí)驗(yàn)設(shè)置和結(jié)果

圖 6 顯示了具有 1.7kV SiC MOSFET 和 50kHz 頻率的柵極驅(qū)動(dòng)器和老化檢測(cè)電路的示意圖 。下側(cè) FET 連接到老化電路，并連接了一個(gè)外部電阻器以吸收額外的柵極電流。原型如圖 7 所示。結(jié)果表明，電壓 Vs 和 Vr 隨時(shí)間增加。對(duì)不同時(shí)間段的 Vs 和 Vr 進(jìn)行采樣有助于計(jì)算柵極漏電流。

圖 6：實(shí)驗(yàn)設(shè)置

圖 7：原型

結(jié)論和未來(lái)工作

本文中描述的用于監(jiān)控 SiC MOSFET 健康狀況的技術(shù)基于柵極漏電流。寬動(dòng)態(tài)范圍和高頻率都對(duì)以直接方式測(cè)量柵極電流提出了挑戰(zhàn)。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了預(yù)期的波形。老化檢測(cè)電路和柵極驅(qū)動(dòng)器的集成可以通過使用健康監(jiān)測(cè)功能創(chuàng)建更可靠的電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)。其他功率晶體管系列，例如 IGBT 和 GaN，可以使用這種方法來(lái)估計(jì)柵極電流。