新型三相逆变器如何进行SiC MOSFET的结温估算？

与功率MOSFET相比，功率MOSFET中的SiC具有一系列优势，例如更高的电导率，更低的开关速度和更低的传导损耗[1] [2]-[6]。它还在较高的温度和电压下工作。有了这样的好处，它可以提高功率MOSFET的效率和功率密度。SiCMOSFET大约在十年前问世，但仍然存在一些问题，例如成本高，可靠性低以及附加的高dv / dt等挑战。结温是功率半导体的关键点，应将其保持在标准限值以下。在操作过程中，结点的温度是估算的还是未知的，这就是为什么设计人员必须保持巨大的安全边际。现在，为了测量功率设备的温度，已经开发了不同的技术。一种方法包括使用与芯片直接接触的热敏电阻，但由于绝缘问题和测量延迟，该方法也很关键[7]。

现在使用的唯一方法是将电热模型与通过热敏电阻[8]-[10]的DBC（直接键合铜）基板或散热器的温度检测器结合在一起的方法。这些模型有些粗糙，可能会导致估计误差。现在，基于早期TSEP（热敏电参数）的技术被认为是一种重要的方法，并用于结温指示器。目前，大多数基于TSEP的方法仅限于受控条件下的实验室。它们用于数据表编译，无需专用设备即可为实际案例提供创新的解决方案。当从第一个POC转换器获得了良好的结果时，就分析了对新型三相逆变器的需求。

设置

原型如图2所示。1，而图。图2示出了所提出的功率转换器的电路图。在正和负电流值上引入传导电压的附加测量。建议的功率转换器具有3个SiC功率模块，其击穿电压为1.2KV。RMS电流在60摄氏度时为180A，工作电压为600V DC，开关频率为20KHz [1]。在图。从图2中可以看到，每个半桥由两个方向相反的SiC MOSFET和2个二极管组成。所提出的技术可以用于每个功率转换器，而不管其几何形状如何。

图1：原型转换器

图2：转换器的电路图

V上测量

为了获得传导电压，必须精心设计测量系统。测量系统必须能够在PWM模式下以及占空比达到其下限或上限时测量MOSFET的压降。在关断状态下，Vds等于直流母线电压。在导通状态下，Vds下降几伏，而Q1提供恒定电流以激励D6。相同的电流流经D4和D6。由于它们的接近度，两个二极管处于相同的温度，并且可以补偿由于温度引起的电压降的任何偏差。

调试测试程序

此过程直接在转换器上执行，除了铝板下方的热板（在此情况下称为散热器）外，无需任何其他设备。两个热敏电阻用于测量散热器的温度。一个重要的假设是结点和散热器的温度不会随电流尖峰而变化。在此过程中，首先将散热器加热到150°C，然后缓慢冷却。然后施加10A至240A的小电流尖峰，相差10A。当温度下降5°C时会施加新的电流脉冲，而当温度达到35°C时程序会停止[1]。

电流脉冲的短持续时间与时间分隔相结合，以确保结温和散热器温度相等。完成此过程花费了90分钟。在主动冷却的帮助下，该测试的持续时间可以减少。

自适应电流限制

通过直接限制输出条件，温度反馈可以避免在直流输出条件下发生故障的风险。如果与其他MOSFET相比，MOSFET SWaH和SWaL的温度更低，并且由于元件的参数分散性，其导通电阻也更低。

调测结果

jswx（VSWX，我SWX）是在其中所获得的数据被从调试测试写入的标准形式。在这种情况下，由于测量困难，未报告在小于30A的低电流下获得的数据。从LUT获得的正电流直接用于温度测量，但是负电流不能用于电流测量，因为不可能计算MOSFET和二极管之间的共享电流。关于如何去耦二极管和MOSFET电流的更多考虑正在进行中。

可以通过使用2D表示来分析收集的数据。图3示出了对于不同电流脉冲值，Ron作为结温的函数。该图表明，在240A电流下，结温从30°C升至150°C时，R的开度增加62％[1]。图4显示了在不同结温范围内，Ron作为电流的函数。结果表明，Ron当结温为150°C时电流从30A变为240A时，电流增加3％[1]。估计两个相关性以获得良好的温度。结温会影响FET及其对应的二极管之间共享的电流。由于二极管是反并联的，因此在负电流的情况下，其中一个二极管开始传导MOSFET的电流，从而降低了传导电阻。

图3：对于不同的电流脉冲值，Ron作为结温的函数

图4：在不同结温范围内，Ron作为电流的函数。

结论

利弊

转换器的操作不受温度测量过程的影响。此温度检测过程不需要额外的电路，它可以直接应用于转换器。进行测量所需的电路便宜，稳定，并减少了EMC问题。不涉及复杂的计算。这种方法可以在用于工业的微控制器上实现，并且出于开发目的，转换器被嵌入到FPGA中。时间??温度测量需要的是适度的。

由于传导电流的一部分的反并联二极管，无法为电流的负值估计结温。由于损耗在MOSFET和二极管之间分担，因此该问题在热方面并不重要。如果我们卸下反并联二极管，则由于MOSFET的行为对称，因此也可以估算负电流的结温。此类模块已上市，并将在未来进行测试。在小电流小于30A的情况下，??估计将不准确由于噪声差信号比。

老化

众所周知，随着结温[11]和[12]的升高，元件Ron的老化会增加，因此温度估算器无法准确测量元件的温度，但是在SiC基器件中，Ron的增加是适度的这样可以更准确地估算温度。此技术用于功率转换器中以加速老化过程。

应用领域

所提出的技术可以以很少的成本和障碍应用于所有类型的开关转换器。可能受益的应用程序是：

• 伺服驱动器和电动汽车等经常出现过载的应用。
• 安全性至关重要的应用程序，其中应用程序的故障或故障可能会损坏人员
• 安全余量电路成本高昂的大功率应用。
• 高功率密度应用中，冷却组件很重要。

参考

[1]用于在线SAE在线估算所有SiC MOSFET的SAE公式的三相逆变器。都灵都灵理工大学能源部Fausto Stella DENERG

[2]罗姆半导体公司的应用笔记：“ SiC功率器件和模块”。

[3]鲍勃·卡拉南（Bob Callanan）。“碳化硅MOSFET的应用注意事项”。克里2011年1月。

[4] T. Zhao等人。“基于SiC MOSFET和基于Si IGBT的电机驱动系统的比较”。在：2007 IEEE工业应用年会。2007年9月，第331-335页。doi：10.1109 / 07IAS.2007.51。

[5] G. Wang等。“ 1200V 100A SiC MOSFET和1200V 100A硅IGBT的性能比较”。在：2013 IEEE能源转换大会和博览会。2013年9月，第3230-3234页。doi：10.1109 / ECCE.2013.6647124。

[6] JW Palmour，“面向工业市场的碳化硅功率器件开发”，2014 IEEE国际电子器件会议，旧金山，加利福尼亚，2014年，第1.1.1-1.1.8.doi：10.1109 / IEDM.2014.7046960。

[7] ER Motto和JF Donlon，“具有用户可访问的片上电流和温度传感器的IGBT模块”，2012年第二十七届IEEE应用功率电子会议暨展览会（APEC），佛罗里达州奥兰多，2012年，第176-181页。 doi：10.1109 / APEC.2012.6165816。

[8] MJ Whitehead和CM Johnson，“确定多设备功率电子模块中的热交叉耦合效应”，2006年第3届IET国际功率电子，机器和驱动器国际会议– PEMD，2006年，爱尔兰都柏林，Contarf城堡，第261-265页。

[9] L. Wei，RJ Kerkman，RA Lukaszewski，BP Brown，N。Gollhardt和BW Weiss，“ DC条件下多芯片IGBT模块的结温预测”，2006年IEEE工业应用大会的会议记录40-第一届IAS年会，佛罗里达州坦帕市，2006年，第754-762页。doi：10.1109 / IAS.2006.256611。

[10] H. Chen，B。Ji，V。Pickert和W. Cao，“考虑热老化效应的功率MOSFET的实时温度估计”，在IEEE Transactions on Device and Materials Reliability，vol。1中。14号1，第220-228页，2014年3月。doi：10.1109 / TDMR.2013.2292547。

[11] H. Luo，F。Iannuzzo，F.Blaabjerg，M.Turnaturi和E.Mattiuzzo，“在高度加速的功率循环条件下SiC-MOSFET模块的老化前驱体和降解效应，” 2017 IEEE能量转换大会和博览会（ ECCE），美国俄亥俄州辛辛那提，2017年，第2506-2511页。

[12] C. Durand，M。Klingler，D。Coutellier和H. Naceur，“电源模块的电源循环可靠性：调查”，在IEEE Transactions on Device and Materials Reliability，vol。1中。16号1，2016年3月，第80-97页.doi：10.1109 / TDMR.2016.2516044
编辑：hfy