CN111880069A - 一种基于开通电流斜率的半导体器件结温在线检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种基于开通电流斜率的半导体器件结温在线检测系统，其特征在于，包括电源电路，所述电源电路分别与门极驱动电路、电压与电流测量电路、电流斜率采集电路、信号处理电路、隔离电路、A/D采样电路和DSP控制器相连接，所述电源电路能够提供隔离供电；该在线检测系统依据半导体器件本身的温度敏感电参数：阈值电压。本发明具有很好的适用性，可实现低成本、简单、稳定、快速的获取半导体器件的实时结温，有效避免在系统中由于半导体器件结温过高而造成系统失效的经济损失以及可能的人员损伤。

Description

一种基于开通电流斜率的半导体器件结温在线检测系统

技术领域

本发明属于半导体器件运行状态检测领域，具体为一种基于开通电流斜率的半导体器件结温在线检测系统，基于半导体器件开通电流斜率参数的温敏特性。

背景技术

随着新一代电力电子变换器对功率密度，转换效率，可靠性的要求不断提升，对功率器件的可靠性要求越来越严苛。而半导体器件是电力电子设备中的核心元件，但是半导体器件也是电力电子设备中失效率最高的部分。因此，半导体器件的可靠性是保证电力系统安全运行的关键因素。据相关统计，在各类失效因素中，大约有55％的电力电子系统失效是由温度因素导致。半导体器件的故障和退化大多数是由于温度超过安全工作范围或是热应力造成的器件内部结构失效。因此通过对电力电子变换器中的半导体器件结温信息进行在线监测可以有效改善半导体器件的可靠性，实现智能化热管理，器件寿命预测以提高系统的可靠性。

目前，现有的半导体器件结温检测方法大致可以归纳为物理接触式测量法、光学非接触测量法、热阻抗模型计算法与热敏感电参数提取法等技术手段。对于前两种方法需要对器件模块的封装进行特殊的处理，在实际应用中具有较大局限性。同时这两种方法在成本和快速准确的结温获取两方面难以实现平衡，目前商用的温度传感器还有红外测试仪器具有较长的时间延迟，难以快速反馈温度信息，及时采取控制措施。热阻抗法通过建立RC网络模型和估算的实时器件损耗来推算结温，但是建立精准的损耗模型和热网络模型相对比较复杂且受影响因素颇多。

由于半导体器件的内部微观物理参数与温度具有对应关系，因此半导体材料受温度影响会使半导体器件反映出来的电气特性呈现出与温度相关的变化趋势。由于基于器件自身的温敏电参数法在成本上就具有一定的优越性，所以可以利用芯片自身电学特性随温度变化的特性，基于此搭建的检测系统简单，易于实现。而对于在线实时反映结温信息最重的一点就是延时时间，采用温敏电参数法提取结温延时时间在纳秒级。因此如何基于其温敏电参数提供一种稳定且易于实现的半导体器件结温在线检测技术，是本领域技术人员亟待解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的是针对以上问题，提供一种基于开通电流斜率的半导体器件结温在线检测系统，通过半导体器件自身温度敏感电参数搭建结温在线实时检测系统，得到其自身的结温信息，使半导体器件在合理的工作范围内运行，避免因半导体器件结温过高或者由于结温波动导致器件的失效和潜在的系统风险。

为实现以上目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于开通电流斜率的半导体器件结温在线检测系统，包括电源电路，所述电源电路分别与门极驱动电路、电压与电流测量电路、电流斜率采集电路、信号处理电路、隔离电路、A/D采样电路和DSP控制器相连接，所述电源电路能够提供隔离供电；

该在线检测系统依据半导体器件本身的温度敏感电参数：阈值电压。

优选的，所述门极驱动电路，提供多种门极驱动电阻；在检测系统检测半导体器件结温的时区内，所述门极驱动电路切换至大电阻模式，降低半导体器件在此次开通的速度，提高检测系统的精度以及降低检测的难度；在正常半导体器件运行下，所述门极驱动电路提供正常的驱动电阻，保证半导体器件正常运行。

优选的，所述电压与电流测量电路分别用于实时检测半导体器件当前工作的电压电流等级并输送到A/D采样电路，为后续结温计算提供计算条件。

优选的，所述电流斜率采集电路通过采样电阻获取半导体器件的开通电流斜率信息，采样电阻和半导体器件是串联连接，利用半导体器件电流流过采样电阻的压降得到开通电流斜率信息，将电流信号转化为电压信号。

优选的，所述信号处理电路包括微分电路，所述微分电路用于将采样电阻得到电流的信号输入至微分电路的输入端，在微分电路的输出端得到电流上升过程中的开通电流斜率峰值信息。

优选的，所述信号处理电路包括峰值采样保持电路，所述峰值采样保持电路用于将微分电路获取的开通电流斜率峰值锁存并保持整个PWM周期，直到下一次器件开通，再重新捕获半导体器件的开通电流斜率峰值信息。

优选的，所述开通电流斜率峰值为半导体器件在导通时电流由零上升到负载电流的这段时间内电流上升斜率的最大值。

优选的，所述隔离电路为检测系统的各个部分提供隔离供电，还将整个检测电路的信号部分和功率开关部分完全隔离开。

优选的，在进行结温检测运行之前，对所检测的半导体器件的开通电流斜率峰值与结温进行校正，获取半导体器件在不同运行电压和电流等级下的开通电流斜率峰值与结温的关系曲线。

优选的，通过所述DSP控制器配合A/D采样电路实时获取半导体器件的V_ds电压与负载电流信息，获取信号处理电路锁存的信息，结合DSP控制器内存储的数据表利用查表法推算半导体器件结温信息，并输出至外设。

本发明的有益效果：

本发明具有很好的适用性，可实现低成本、简单、稳定、快速的获取半导体器件的实时结温，有效避免在系统中由于半导体器件结温过高而造成系统失效的经济损失以及可能的人员损伤。本发明的原理是利用宽禁带MOS器件开通电流与温度的关系，适用于宽禁带半导体器件如SiC与GaN器件。

附图说明

图1为本发明原理框图；

图2为本发明的开通电流斜率提取电路示意图；

图3为本发明的开通电流斜率检测电路的时序示意图；

图4为本发明对应碳化硅功率MOSFET结构示意简图；

图5为本发明对应碳化硅功率MOSFET器件开通过程示意简图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。

本实施例的半导体器件以碳化硅MOSFET为例进行描述，但是该技术也同样适用于其他宽禁带半导体器件，例如氮化镓器件。

首先分析一下开通电流斜率与结温的数学关系，以碳化硅MOSFET器件为例，其基本电学模型如图4所示，C_gd,C_gs,C_ds分别为MOSFET的门极-漏极电容，门极-源极电容，漏极-源极电容，R_{g_ext}和R_{g_int}分别为MOSFET的栅极外部电阻和栅极内部电阻。根据图5所示的碳化硅MOSFET开通过程，当MOSFET的栅极电压超过阈值电压V_th之后，开始有电流流过器件的沟道。碳化硅MOSFET的电流开始从零上升到负载电流i_d的这段时间间隔为(t₂-t₁)，温度升高会导致开通电流上升斜率的增加，(t₂-t₁)会随温度的升高而减小。

碳化硅MOSFET的电流斜率与温度的关系通过以下方式推导得到，从电流为零到电流上升到负载电流的这段时间内，由于碳化硅MOSFET处于饱和区运行，漏极负载电流(i_d)及漏极电流与时间的导数分别由(1)和(2)给出

C_iss＝C_gd+C_gs (3)

碳化硅MOSFET在开通瞬间电流上升速率(di_d/d_t)的温度依赖性可以通过对(2)相对于温度求导计算得到：

开通电流斜率受结温影响的因素是阈值电压，与温度呈线性关系，因此开通电流上升速率与结温具有关系。其中β取决于MOS沟道迁移率的大小，对于碳化硅MOSFET而言，由于碳化硅材料的带隙更宽，β的值在这里认为基本不随温度而改变。所以碳化硅MOSFET的电流斜率主要受阈值电压的影响，由于阈值电压随温度升高而降低，可以发现碳化硅MOSFET的开通电流斜率是随温度上升而增加。

因此，本发明根据半导体器件的基本特性搭建一套开通电流斜率峰值捕获电路，实时获取半导体器件开通电流斜率信息。

其原理框图如图1所示，其实现开通电流斜率提取电路示意图如图2所示，在实际操作中分为两种模式，即正常工作模式和结温提取模式；通过DSP控制器发出控制信号以及模式切换信号。在正常工作模式下：DSP控制器通过隔离电路给门极驱动电路部分传输驱动信号，开关S₁闭合，大电阻R₅被旁路，门极驱动电路通过R₃给门极电容充电，器件在小电阻下开通，保证器件开通过程不受影响。因为电阻R₄小于R₃，器件在关断阶段时，门极电容通过R₄和D₁回路进行放电。

在结温检测模式下：DSP控制器通过隔离电路给门极驱动电路部分传输驱动信号，门极驱动电路通过开关切换门极驱动电阻到较大的电阻，使门极驱动电阻为R₅+R₃。

以下对结温检测的过程进行进一步描述：

首先是开通电流斜率的检测，具体的时序如附图3所示，DSP控制器给门极驱动发出PWM控制信号，器件开通，采样保持器的电容跟随微分电路的输出电压，一直到电流到达负载电流稳定之后，采样保持器锁存的电容C₂上的电压即为开通电流斜率峰值。随后DSP控制器配合A/D采样电路获取采样保持器的输出值。采样控制器的作用是控制采样保持电路中C₂放电，在器件PWM信号变为低电平时，控制JFET闭合，电容C₂上的电通过D₃和R₅放电，在下一次开通时可以提取器件的电流斜率信息。DSP控制器通过内置的器件结温与开通电流斜率的关系数据，采用查表法即可计算出当前的器件结温信息。MOSFET关断时，通过常开的JETF开关器件给电容C₂放电，为下一次电流峰值采样准备。

门极驱动电路作用是在对器件的开通电阻进行切换，根据公式分析可知，在大栅极电阻驱动情况下，可以提高开通电流斜率峰值的温度敏感性，减小温度估计的误差。

电流斜率采集电路的作用是在MOSFET开通时提取开通电流与时间的关系曲线，即电流斜率信息。

信号处理电路包括微分电路和峰值采样保持电路。微分电路的作用是将采样电阻得到电流的信号输入至微分电路的输入端，在微分电路的输出端得到电流上升过程中的开通电流斜率峰值信息。

峰值采样保持电路包括采样保持器和采样控制器，采样保持器的作用是锁存开通时刻电流上升斜率的峰值。采样保持器控制采样电容放电，实现在每个PWM周期进行一次电流斜率信息的采样收集。采样控制器的作用是控制采样保持器，保证采样保持器在下一次开通时可以提取器件的电流斜率信息。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于开通电流斜率的半导体器件结温在线检测系统，其特征在于，包括电源电路，所述电源电路分别与门极驱动电路、电压与电流测量电路、电流斜率采集电路、信号处理电路、隔离电路、A/D采样电路和DSP控制器相连接，所述电源电路能够提供隔离供电；

该在线检测系统依据半导体器件本身的温度敏感电参数：阈值电压。

2.根据权利要求1中所述的一种基于开通电流斜率的半导体器件结温在线检测系统，其特征在于，所述门极驱动电路，提供多种门极驱动电阻；在检测系统检测半导体器件结温的时区内，所述门极驱动电路切换至大电阻模式，降低半导体器件在此次开通的速度，提高检测系统的精度以及降低检测的难度；在正常半导体器件运行下，所述门极驱动电路提供正常的驱动电阻，保证半导体器件正常运行。

3.根据权利要求1所述的一种基于开通电流斜率的半导体器件结温在线检测系统，其特征在于，所述电压与电流测量电路分别用于实时检测半导体器件当前工作的电压电流等级并输送到A/D采样电路，为后续结温计算提供计算条件。

4.根据权利要求1所述的一种基于开通电流斜率的半导体器件结温在线检测系统，其特征在于，所述电流斜率采集电路通过采样电阻获取半导体器件的开通电流斜率信息，采样电阻和半导体器件是串联连接，利用半导体器件电流流过采样电阻的压降得到开通电流斜率信息，将电流信号转化为电压信号。

5.根据权利要求1中所述的一种基于开通电流斜率的半导体器件结温在线检测系统，其特征在于，所述信号处理电路包括微分电路，所述微分电路用于将采样电阻得到电流的信号输入至微分电路的输入端，在微分电路的输出端得到电流上升过程中的开通电流斜率峰值信息。

6.根据权利要求1中所述的一种基于开通电流斜率的半导体器件结温在线检测系统，其特征在于，所述信号处理电路包括峰值采样保持电路，所述峰值采样保持电路用于将微分电路获取的开通电流斜率峰值锁存并保持整个PWM周期，直到下一次器件开通，再重新捕获半导体器件的开通电流斜率峰值信息。

7.根据权利要求5或6任一所述的一种基于开通电流斜率的半导体器件结温在线检测系统，其特征在于，所述开通电流斜率峰值为半导体器件在导通时电流由零上升到负载电流的这段时间内电流上升斜率的最大值。

8.根据权利要求1所述的一种基于开通电流斜率的半导体器件结温在线检测系统，其特征在于，所述隔离电路为检测系统的各个部分提供隔离供电，还将整个检测电路的信号部分和功率开关部分完全隔离开。

9.根据权利要求1所述的一种基于开通电流斜率的半导体器件结温在线检测系统，其特征在于，在进行结温检测运行之前，对所检测的半导体器件的开通电流斜率峰值与结温进行校正，获取半导体器件在不同运行电压和电流等级下的开通电流斜率峰值与结温的关系曲线。

10.根据权利要求1所述的一种基于开通电流斜率的半导体器件结温在线检测系统，其特征在于，通过所述DSP控制器配合A/D采样电路实时获取半导体器件的V_ds电压与负载电流信息，获取信号处理电路锁存的信息，结合DSP控制器内存储的数据表利用查表法推算半导体器件结温信息，并输出至外设。

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