三相電壓源逆變器中SiC MOSFET的結溫估算

功率 MOSFET 中的SiC（碳化硅）與其對應物相比具有一系列優勢，例如更高的導電性、更低的開關速度和更低的傳導損。它還可以在更高的溫度和電壓下運行。憑借這些優勢，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，但仍然存在一些問題，例如高成本、低可靠性以及其他一些挑戰，例如高 dv/dt 附加到它。結溫是功率半導體的關鍵點，應保持在標準范圍內。在操作期間，結的溫度是估計的或未知的，這就是設計人員必須保持巨大的安全邊際?，F在，為了測量功率器件的溫度，已經開發了不同的技術。一種方法包括使用與芯片直接接觸的熱敏電阻，但由于絕緣問題和測量延遲，這種方法也很關鍵[7]。?這里是 IEEE 文章。

現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，可能會導致估計錯誤。早期的基于 TSEP（熱敏電參數）的技術現在被認為是一種重要的方法，并用于結溫指示器。大多數基于 TSEP 的方法目前僅限于受控條件下的實驗室。它們用于數據表編譯，為沒有專用設備的真實案例提供創造性的解決方案。當第一個 POC 轉換器獲得良好結果時，分析了對新三相逆變器的需求。

設置

原型如圖所示。圖 2 顯示了所提出的電源轉換器的電路圖。在正負電流值上引入了傳導電壓的附加測量。建議的功率轉換器具有 3 個 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 開關頻率下的 RMS 電流為 180A [1]。在圖。從圖 2 中我們可以看到，每個半橋由 2 個 SiC MOSFET 和 2 個相反方向的二極管組成。所提出的技術可用于每個功率轉換器，而不管其幾何形狀。

圖 2：轉換器電路圖

V上測量

為了獲得傳導電壓，必須仔細設計測量系統。測量系統必須能夠在 PWM 模式下以及占空比達到其下限或上限時測量 MOSFET 的壓降。在關斷狀態下，Vds 等于直流鏈路電壓。在導通狀態下，Vds 下降幾伏，Q1 提供恒定電流來激勵 D6。相同的電流通過 D4 和 D6。由于它們接近，兩個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償。

調試測試程序

此過程直接在轉換器上執行，除了鋁板下方的熱板外，無需任何額外設備，在這種情況下，稱為散熱器。兩個熱敏電阻用于測量散熱器的溫度。一個重要的假設是結點和散熱器的溫度不隨電流尖峰變化。在這個過程中，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。當溫度下降 5°C 時施加新的電流脈沖，當溫度達到 35°C 時程序停止[1]。

短暫的電流脈沖持續時間與時間間隔相結合，以確保結溫和散熱器溫度相等。完成這個過程需要 90 分鐘。在主動冷卻的幫助下，可以縮短該測試的持續時間。

自適應電流限制

溫度反饋可以通過直接限制輸出條件來避免在直流輸出條件下出現故障的風險。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分散，傳導電阻也較低。

調試測試結果

? jswx (V Swx , i Swx ) 是從調試測試中得到的數據寫入的標準格式。在這種情況下，由于測量困難，未報告在小于 30A 的低電流下獲得的數據。從 LUT 獲得的正電流直接用于溫度測量，但負電流不能用于電流測量，因為無法計算 MOSFET 和二極管之間的共享電流。關于如何去耦二極管和 MOSFET 電流的更多考慮正在進行中。

收集到的數據可以使用二維表示進行分析。圖 3 顯示了 R on作為不同電流脈沖值的結溫函數。該圖顯示，在 240A 的電流下，當結溫從 30°C 上升到 150°C 時，R on增加了 62% [1]。圖 4 顯示了 R on在不同結溫范圍內作為電流的函數。結果表明是R上在 150°C 的結溫下，電流從 30A 變為 240A 時增加 3% [1]。估計獲得良好溫度的兩個依賴關系。結溫會影響 FET 及其相應二極管之間共享的電流。由于二極管是反并聯的，在負電流的情況下，其中一個二極管開始傳導 MOSFET 的電流，從而降低導通電阻。

圖 3：對于不同電流脈沖值，R on作為結溫的函數

圖 4：R on作為不同結溫范圍內的電流的函數。

結論

利弊

轉換器的運行不受溫度測量過程的影響。這個溫度檢測過程不需要額外的電路，它可以直接應用于轉換器。v on測量所需的電路便宜、穩定并且提供較少的 EMC 問題。不涉及復雜的計算。這種方法可以在工業用微控制器上實現，為了開發目的，轉換器嵌入在 FPGA 上。溫度測量所需的時間 ? j是適中的。

由于反向并聯二極管傳導部分電流，因此無法估計電流的負值時的結溫。這個問題在熱上并不重要，因為損耗在 MOSFET 和二極管之間共享。如果我們去掉反并聯二極管，也可以估計負電流的結溫，因為 MOSFET 的行為是對稱的。這些模塊是可用的，并將在未來進行測試。在小于 30A 的小電流的情況下，由于較差的信噪比，估計的 ? j將不準確。

老化

正如我們所知，組件 R on的老化隨著結溫 [11] 和 [12] 的增加而增加，因此溫度估算器無法準確測量組件的溫度，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確地估計溫度。該技術用于電源轉換器以加速老化過程。

應用

所提出的技術可以以很少的成本和障礙應用于所有類型的開關轉換器。可能受益的應用程序是：

頻繁過載的應用，如伺服驅動器和電動汽車。

應用程序的故障或故障可能會傷害人員的安全關鍵應用程序

安全裕度電路成本高昂的高功率應用。

冷卻組件很重要的高功率密度應用。

審核編輯：郭婷

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