CN111781482A

CN111781482A - 一种大功率sic mosfet模块键合线健康状态检测方法及装置

Info

Publication number: CN111781482A
Application number: CN202010526758.4A
Authority: CN
Inventors: 谭国俊; 耿程飞; 朱春宇; 张经伟
Original assignee: China Mining Drives and Automation Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Guochuan Electric Co ltd
Priority date: 2020-06-10
Filing date: 2020-06-10
Publication date: 2020-10-16
Anticipated expiration: 2040-06-10
Also published as: CN111781482B

Abstract

本发明公开了一种大功率SIC MOSFET模块键合线健康状态检测方法及装置，该方法包括建立SIC MOSFET模块V _{peak,sS健康}参考值基准数据库；在关断瞬态，同时获取SIC MOSFET模块关断暂态漏极电流I _D和SIC MOSFET模块辅助源极s、功率源极S之间的感应电动势V _sS，并测量出该感应电动势V _sS的峰值V _peak,sS；将健康参考值V _{peak,sS健康}与峰值V _peak,sS进行比较，计算出偏差值；根据偏差值，判断SIC MOSFET模块键合线是否存在脱落故障。该方法实现了SIC MOSFET模块在线健康状态评估，能够有效避免因为键合线老化带来的安全问题，实现设备的可预测性维护。

Description

一种大功率SIC MOSFET模块键合线健康状态检测方法及装置

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，尤其涉及一种适用于大功率SIC MOSFET模块键合线健康状态检测方法及装置。

背景技术

作为新一代功率半导体器件，SIC MOSFET因其驱动功率小、工作频率高、输入阻抗高、导通压降低等优点，正逐步应用于牵引、电动汽车以及可再生能源等各个领域。作为功率变换器的核心部件，SIC MOSFET模块在进行功率变换的同时也承受着功率循环的冲击，从而导致老化和失效。

工业统计数据显示，由功率半导体器件引起的故障占变换器系统故障的20％。键合线作为SIC MOSFET模块中最为脆弱的环节，其失效现象尤为突出。现有研究中，国内外学者对大功率IGBT模块的健康状态监测做了大量研究，并取得了丰硕成果，而对于大功率SICMOSFET模块的健康状态监测研究还处于起步阶段。

目前键合线的状态监测方法主要与以下几种：

一：基于开通导通压降V_DS,on的故障诊断方法

通过监测SIC MOSFET模块漏极D和源极S之间导通状态下的压降来识别键合线是否脱落。

二：基于预阈值电压的故障诊断方法

通过比较老化模块与健康模块在阈值电压前的采样点处的电压偏差判断键合线的健康状态。

三：基于动态门极电流的故障诊断方法

通过检测在开关瞬态门极电流尖峰判断键合线的健康状态。

方法一是一种基于键合线等效电阻变化的故障诊断方法。当键合线发生老化和失效时，键合线等效阻抗增大，开通时致其导通压降升高。稳态工况下，模块工作状态基本稳定，待测量V_DS,on对于测量的时间要求相对较低。但是对于大功率SIC MOSFET，额定电压一般大于1000V。由于SIC MOSFET漏源电压动态变化范围很大，因此很难准确测得由于键合线失效而引起的毫伏级别的电压波动。同时SIC MOSFET通态时的漏源电压V_DS,on极易受到温度变化的影响，从而造成测量误差。

方法二与方法三从模块结构和动态参数出发，考虑SIC MOSFET功率回路与门极驱动回路耦合作用的影响，功率键合线老化对驱动回路的参数影响。与稳态参数不同，瞬态参数存在时间短，电压变化率dV_gs/dt、电流变化率di_g/dt变化率很大，因此对采样点的时间要求和测量精度要求极高。

上述方法多从大功率IGBT的键合线健康状态监测方法改进而来，并不完全适用于大功率SIC MOSFET模块。因此，迫切需要对大功率SIC MOSFET模块的键合线状态监测方法进行研究及改进。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种大功率SIC MOSFET模块键合线健康状态检测方法及装置，该方法能够提高SIC MOSFET模块键合线脱落的测量精度。

本发明提供了一种大功率SIC MOSFET模块键合线健康状态检测方法，所述方法包括，建立SIC MOSFET模块V_{peak,sS健康}参考值基准数据库；在关断瞬态，同时获取SIC MOSFET模块关断暂态漏极电流I_D和SIC MOSFET模块辅助源极s、功率源极S之间的感应电动势V_sS，并测量出该感应电动势V_sS的峰值V_peak,sS；将健康参考值V_{peak,sS健康}与峰值V_peak,sS进行比较，计算出偏差值；根据偏差值，判断SIC MOSFET模块键合线是否存在脱落故障；其中，所述健康参考值V_{peak,sS健康}和感应电动势V_sS的测量峰值V_peak,sS，在相同电流信号I_D下进行比较。

优选的，所述建立SIC MOSFET模块的V_{peak,sS健康}参考值基准数据库具体步骤包括，对健康的SIC MOSFET模块进行测试，得出该型号模块在不同的电流信号I_D下，关断瞬态的感应电动势峰值；将电流信号I_D及其相对应的感应电动势峰值写入基准数据库，作为该型号模块的健康参考值V_{peak,sS健康}。

优选的，所述根据偏差值，判断SIC MOSFET模块键合线是否存在脱落故障，具体步骤包括：设置偏差范围，若偏差值超过设置的偏差范围，则判断SIC MOSFET模块键合线存在脱落故障，若偏差值没超过设置的偏差范围，则判断SIC MOSFET模块键合线健康。

优选的，该方法还包括当判断出SIC MOSFET模块键合线存在脱落故障时，将SICMOSFET栅极驱动电压保持负压VEE，使其一直处于关断状态，从而实现对SIC MOSFET模块的保护。

优选的，所述SIC MOSFET模块的关断暂态漏极电流I_D通过电流采集电路获取。

优选的，所述SIC MOSFET模块辅助源极s和功率源极S之间的感应电动势V_sS，通过电压采集电路获取。

该发明还提供一种大功率SIC MOSFET模块键合线健康状态检测装置，包括逻辑处理单元、V_sS峰值检测单元、电流检测单元及健康状态评估单元，

所述逻辑处理单元用于接收控制器的PWM控制信号，并对接收的信号进行逻辑处理，将驱动控制信号输出至驱动单元，将关断信号输出至键合线健康状态评估单元，同时将健康状态评估单元传递的信息，经过处理后上传至控制器；

所述V_sS峰值检测单元用于检测关断暂态SIC MOSFET模块辅助源极s和功率源极S之间的感应电动势V_sS，并提取出V_sS的峰值电压V_peak,sS；

所述电流检测单元用于检测关断暂态SIC MOSFET模块的漏极电流I_D；

所述健康状态评估单元用于接收V_sS峰值检测单元采集的SIC MOSFET模块关断峰值电压信号V_peak,sS和电流检测单元采集的SIC MOSFET模块关断漏极电流信号I_D，对采集的电压信号和电流信号做出处理和评估，将键合线的健康信息上传到逻辑处理单元。

优选的，所述健康状态评估单元包括V_sS峰值基准值模块、V_sS峰值测量值模块、偏差计算模块及键合线健康状态评估与状态反馈模块，其中

所述V_sS峰值基准值模块用于储存健康模块在各种电流工况下的测得的健康基准值V_{peak,sS健康}，基准数据库内的数据将作为评估键合线健康状态的参考值；

所述V_sS峰值测量值模块用于提取实际工作时SIC MOSFET模块关断暂态的峰值电压V_peak,sS；V_peak,sS和I_D分别为V_sS峰值检测单元及电流检测单元输送过来信号。

所述偏差计算模块用于接收V_sS测量单元测量的电压峰值V_peak,sS和基准值模块传送的峰值参考值V_{peak,sS健康}，将两组数据进行偏差计算，并将偏差值传送到键合线健康状态评估与状态反馈模块；

所述键合线健康状态评估与状态反馈模块，用于接收偏差计算模块发出的偏差值，并将偏差信息转化为高低电平信号发送到逻辑处理单元。

优选的，所述逻辑处理单元判断键合线存在脱落故障时，控制输出低电平控制信号，使栅极驱动电压保持负压VEE，使SIC MOSFET模块一直处于关断状态，从而实现了对功率模块的保护。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

实现了SIC MOSFET模块键合线脱落故障诊断，进而实现SIC MOSFET模块在线健康状态评估，能够有效避免因为键合线老化带来的安全问题，实现设备的可预测性维护。

测量精度较高，测量电路简单，只需要简单的外加电路测量模块外部端子关断时刻感应电压尖峰，大大节约了测量成本。

附图说明

图1为本发明实施例提供的大功率SIC MOSFET模块键合线健康状态检测方法流程图；

图2为本发明实施例提供的SIC MOSFET模块键合线健康状态检测系统框图；

图3为本发明实施例提供的SIC MOSFET模块健康状态评估单元结构图；

图4为本发明实施例提供的a)健康状态下检测系统时序图，b)故障状态下检测系统时序图；

图5为本发明实施例提供的双脉冲实验电路图；

图6为本发明实施例提供的健康、故障情况下V_sS、I_D对比图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本方法进行详细说明。

图1为本发明实施例大功率SIC MOSFET模块键合线健康状态检测方法流程图，所述方法步骤包括：

建立SIC MOSFET模块V_{peak,sS健康}参考值基准数据库；在关断瞬态，同时获取SICMOSFET模块关断暂态漏极电流I_D和SIC MOSFET模块辅助源极s、功率源极S之间的感应电动势V_sS，并测量出该感应电动势V_sS的峰值V_peak,sS；将健康参考值V_{peak,sS健康}与峰值V_peak,sS进行比较，计算出偏差值；根据偏差值，判断SIC MOSFET模块键合线是否存在脱落故障；其中，所述健康参考值V_{peak,sS健康}和感应电动势V_sS的测量峰值V_peak,sS在相同电流信号I_D下进行比较。

进一步，建立SIC MOSFET模块的V_{peak,sS健康}参考值基准数据库具体步骤包括，对健康的SIC MOSFET模块进行测试，得出该型号模块在不同的电流信号I_D下，关断瞬态的感应电动势峰值；将电流信号I_D及其相对应的感应电动势峰值写入基准数据库，作为该型号模块的健康参考值V_{peak,sS健康}。

进一步，根据偏差值，判断SIC MOSFET模块键合线是否存在脱落故障，具体步骤包括：设置偏差范围，若偏差值超过设置的偏差范围，则判断SIC MOSFET模块键合线存在脱落故障，若偏差值没超过设置的偏差范围，则判断SIC MOSFET模块键合线健康。

进一步，该方法还包括当判断出SIC MOSFET模块键合线存在脱落故障时，将SICMOSFET栅极驱动电压保持负压VEE，使其一直处于关断状态，从而实现对SIC MOSFET模块的保护。

进一步，SIC MOSFET模块的关断暂态漏极电流I_D通过电流采集电路获取。

进一步，SIC MOSFET模块辅助源极s和功率源极S之间的感应电动势V_sS，通过电压采集电路获取。

图2示出了一种SIC MOSFET模块键合线健康状态在线检测系统的结构。系统包括逻辑处理单元、驱动单元、V_sS峰值检测单元、电流检测单元、健康状态评估单元。其中：逻辑处理单元与驱动单元和健康状态评估单元相连，驱动单元与SIC MOSFET模块的栅极相连，V_sS峰值检测单元的测量端分别与功率模块SIC MOSFET模块的辅助源极s和功率模块SICMOSFET模块的功率源极S相连，V_sS峰值检测单元的输出端与健康状态评估单元相连，电流检测单元的测量端与功率模块的功率源极S相连，输出端与健康状态评估单元相连，健康状态评估单元与逻辑处理单元相连。L_g、R_g为栅极键合线寄生阻抗，R_gs、L_gs为辅助源极键合线寄生阻抗，R_S、L_S为功率源极键合线等效阻抗。

图3示出了SIC MOSFET模块健康状态评估单元结构图，健康状态评估单元包括V_sS峰值基准值模块、V_sS峰值测量值模块、偏差计算模块及键合线健康状态评估与状态反馈模块，其中，V_sS峰值基准值模块用于储存健康模块在各种电流工况下测得的健康基准值V_{peak,sS健康}，基准数据库内的数据将作为评估键合线健康状态的参考值；V_sS峰值测量值模块用于提取实际工作时SIC MOSFET模块关断暂态的峰值电压V_peak,sS，电流检测单元用于提取关断时刻的漏极电流I_D；V_peak,sS和I_D分别为V_sS峰值检测单元及电流检测单元输送过来信号。偏差计算模块用于接收V_sS测量单元测量的电压峰值V_peak,sS和基准值模块传送的峰值参考值V_{peak,sS健康}，将两组数据进行偏差计算，并将偏差值传送到键合线健康状态评估与状态反馈模块；键合线健康状态评估与状态反馈模块，用于接收偏差计算模块发出的偏差值，并将偏差信息转化为高低电平信号发送到逻辑处理单元。

基于上述键合线健康状态在线监测系统的时序图如图4所示。在所示信号中，认为：

PWM信号高电平为开通信号，低电平为关断信号；

健康评估信号高电平为故障信号，低电平为健康信号；

控制信号高电平为开通信号，低电平为关断信号；

门极信号开通后电平为VCC，关断后电平为VEE。

以双脉冲实验为例，基于图3所示时序图的具体实施步骤如下：

图5所示为双脉冲实验电路图。其中U_DC为直流母线电压，C_DC为直流母线电容，L为负载电感，D为反并联续流二极管，Q1为SIC MOSFET模块内部多芯片并联下键合线发生脱落的支路芯片，Driver为栅极驱动，L_gs为故障芯片辅助源极键合线寄生电感，L_s为故障芯片功率键合线寄生电感。栅极驱动器接收外部脉冲发生器的PWM信号，两次调整驱动电压控制SIC MOSFET模块的开通和关断。开通时刻，采集电流I_D，关断时刻，采集感应电动势V_sS。

0-t₁：此时间段内，系统为停机状态，所有信号处于初始状态，即PWM保持低电平，健康评估单元信号为低电平，驱动控制信号为低电平，门极信号保持负压VEE，SIC MOSFET模块处于关断状态。

t₁时刻，PWM信号发出高电平到逻辑处理单元，逻辑处理单元对PWM信号和评估信号进行综合处理，因0-t₁时段内，评估信号保持低电平，键合线健康，逻辑处理单元发出高电平控制信号到驱动单元，驱动单元发出正驱动电压VCC到SIC MOSFET栅极，SIC MOSFET模块开通。

t₁-t₂：此时段内，PWM信号保持高电平，控制信号保持高电平，驱动电压保持开通电压VCC，功率模块SIC MOSFET处于导通状态。功率模块进入导通状态后，漏极电流I_D受负载电感影响，在t₂时刻上升到到最大值，如图6所示。

t₂时刻，PWM信号转换为低电平，逻辑处理单元在向驱动单元发出低电平控制信号的同时，也向健康状态评估单元发出关断信号，此信号指示健康状态评估单元开始工作。驱动单元接收到低电平后，正向开通电压VCC转变为反向关断电压VEE，控制功率模块关断，SIC MOSFET模块漏极电流I_D迅速下降。同时，V_sS峰值检测单元检测到辅助源极s和功率源极S之间的感应电动势V_sS，并提取出感应电动势峰值V_peak，sS。同时电流检测单元将t₂时刻的电流采集回来，传送给健康评估单元。

t₂-t₃：此时间段内PWM为低电平，驱动单元施加负压VEE使SIC MOSFET模块处于关断稳态。V_sS峰值基准值模块根据测量的电流I_D，输出在该电流下的V_sS峰值参考值V_{peak,sS健康}，偏差计算单元将采集到的峰值V_peak,sS与基准值模块V_{peak,sS健康}进行偏差计算，偏差计算结果可以根据公式

ΔV＝V_peak,sS-V_{peak,sS健康}

获得。若偏差计算结果ΔV<ΔV_预设值，则判断键合线健康，评估单元在t₂-t₃时间段内一直输出低电平；若偏差计算结果ΔV>ΔV_预设值，则判断键合线脱落，在经过一定延时之后，评估信号在t_fault时刻变为高电平并保持，作为模块保护信号。

t₃-t₄：健康情况下(如图4a)时序所示)，t₃时刻，PWM信号再次发出开通的高电平信号，因评估信号为低电平，逻辑处理单元判断键合线健康，因此控制信号与PWM信号保持一致，输出高电平，栅极输入正向开通电压VCC，功率模块开通。故障情况下(如图4b)所示)，评估信号在t₃时刻为高电平，逻辑处理单元判断键合线存在脱落故障，因此需要保护。此时即使PWM信号输出高电平开通信号，但逻辑处理单元输出低电平控制信号，使栅极驱动电压保持负压VEE，使模块一直处于关断状态，从而实现了对功率模块的保护。

该测量电路简单，只需要简单的外加电路测量模块外部端子关断时刻感应电压尖峰，大大节约了测量成本；测量精度较高，V_sS的电压尖峰仅存在于开通和关断瞬态时刻，在开通、关断稳态工况下均为0，因此采样区间较大，因而在元件选择方面要求更低，精度更高。

上述实例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种大功率SIC MOSFET模块键合线健康状态检测方法，其特征在于，所述方法包括，

建立SIC MOSFET模块V_{peak,sS健康}参考值基准数据库；在关断瞬态，同时获取SIC MOSFET模块关断暂态漏极电流I_D和SIC MOSFET模块辅助源极s、功率源极S之间的感应电动势V_sS，并测量出该感应电动势V_sS的峰值V_peak,sS；将健康参考值V_{peak,sS健康}与峰值V_peak,sS进行比较，计算出偏差值；根据偏差值，判断SIC MOSFET模块键合线是否存在脱落故障；其中，所述健康参考值V_{peak,sS健康}和感应电动势V_sS的测量峰值V_peak,sS，在相同电流信号I_D下进行比较。

2.根据权利要求1所述的大功率SIC MOSFET模块键合线健康状态检测方法，其特征在于，所述建立SIC MOSFET模块的V_{peak,sS健康}参考值基准数据库具体步骤包括，对健康的SICMOSFET模块进行测试，得出该型号模块在不同的电流信号I_D下，关断瞬态的感应电动势峰值；将电流信号I_D及其相对应的感应电动势峰值写入基准数据库，作为该型号模块的健康参考值V_{peak,sS健康}。

3.根据权利要求1所述的大功率SIC MOSFET模块键合线健康状态检测方法，其特征在于，所述根据偏差值，判断SIC MOSFET模块键合线是否存在脱落故障，具体步骤包括：设置偏差范围，若偏差值超过设置的偏差范围，则判断SIC MOSFET模块键合线存在脱落故障，若偏差值没超过设置的偏差范围，则判断SIC MOSFET模块键合线健康。

4.根据权利要求1所述的大功率SIC MOSFET模块键合线健康状态检测方法，其特征在于，该方法还包括当判断出SIC MOSFET模块键合线存在脱落故障时，将SIC MOSFET栅极驱动电压保持负压VEE，使其一直处于关断状态，从而实现对SIC MOSFET模块的保护。

5.根据权利要求1所述的大功率SIC MOSFET模块键合线健康状态检测方法，其特征在于，所述SIC MOSFET模块的关断暂态漏极电流I_D通过电流采集电路获取。

6.根据权利要求1所述的大功率SIC MOSFET模块键合线健康状态检测方法，其特征在于，所述SIC MOSFET模块辅助源极s和功率源极S之间的感应电动势V_sS，通过电压采集电路获取。

7.一种大功率SIC MOSFET模块键合线健康状态检测装置，其特征在于，包括逻辑处理单元、V_sS峰值检测单元、电流检测单元及健康状态评估单元；

所述逻辑处理单元用于接收控制器的PWM控制信号和健康状态评估信号，并对接收的信号进行逻辑处理，将驱动控制信号输出至驱动单元，将关断信号输出至键合线健康状态评估单元，同时将健康状态评估单元传递的信息，经过处理后上传至控制器；

8.根据权利要求7所述的大功率SIC MOSFET模块键合线健康状态检测装置，其特征在于，所述健康状态评估单元包括V_sS峰值基准值模块、V_sS峰值测量值模块、偏差计算模块及键合线健康状态评估与状态反馈模块，其中

9.根据权利要求8所述的大功率SIC MOSFET模块键合线健康状态检测装置，其特征在于，所述逻辑处理单元判断键合线存在脱落故障时，控制输出低电平控制信号，使栅极驱动电压保持负压VEE，使SIC MOSFET模块一直处于关断状态，从而实现了对功率模块的保护。