CN112485241B - 碳化硅功率器件的结温和电流同步检测系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳化硅功率器件的结温和电流同步检测系统及检测方法。通过对碳化硅功率器件的电致发光光谱进行分离，并在不同工作温度和工作电流下分别检测碳化硅功率器件电致发光中两个波段的发光强度，建立两个波段的发光强度与工作温度和工作电流的函数模型，通过解耦算法实现根据两个波段的发光强度来推导碳化硅功率器件的结温和电流。本发明基于碳化硅电致发光效应的检测方法，无需额外对碳化硅功率器件电气量的测量，具备固有电气隔离的特点，实现了非接触检测，特别适用于工作在高温高压大电流应用场合的碳化硅功率器件结温和电流的同步在线检测，具有较高的精度和实时性。

Description

碳化硅功率器件的结温和电流同步检测系统及检测方法

技术领域

本发明属于电力电子器件检测技术领域的一种碳化硅功率器件检测系统和方法，具体涉及一种非接触式碳化硅功率器件结温和电流的同步在线检测系统及检测方法。

背景技术

碳化硅作为第三代宽禁带半导体，具有禁带宽度高、击穿场强高、热导率高和高载流子饱和速率等特点，在高压、高温和高频的应用场合具有显著优势。然而，碳化硅功率器件也存在热聚集效应更强、电流密度更高且短路耐受时间更短等严峻的可靠性问题。因此，碳化硅功率器件的芯片温度(结温)和电流检测对于保障其可靠运行有着重要意义。

传统的结温提取方法按实施方式可分为接触式和非接触式：非接触式分为红外成像法和热阻模型预测法，接触式可分为物理接触测量法和热敏感电参数法。红外成像法可以获得器件表面整体的温度分布情况，但是检测速度慢，且需要对器件表面做特殊处理，不适合碳化硅功率器件在运行过程中的结温提取。热阻模型预测法，利用建立的热阻抗网络模型就可以实时地反推预测出模块温度，但器件老化对模型预测的准确度有较大的影响。物理接触测量法，通过安装在器件封装中的热敏电阻等能够间接测量芯片温度，但是其只能反映模块基板的温度，与芯片温度的误差较大。热敏感电参数法，通过测量对温度敏感性强的电气参数来反推芯片的结温水平，该方法可以检测μs级的开关功率器件的结温变化，但是现有的大多数热敏感电参数法只适用于硅基功率器件的结温检测，对于工作在高击穿电场、大瞬变电流和强磁场变化下的碳化硅功率器件，传统热敏感电参数法所配套的后级采样/调理电路难以直接满足其电压等级要求，且所需的隔离和抗干扰措施也更加难以设计。

除此之外，常规的功率器件电流检测方法主要可分为三种：(1)串接检测电阻的直接测量方法，检测精度高，但是对于碳化硅功率器件的大电流应用场合会带来较大的功率损耗。(2)采用电流互感器、罗氏线圈、霍尔传感器等器件实现非接触式的电流检测。但是电流互感器只能检测交流电，带宽窄，并且对于碳化硅功率器件的大电压应用场合需要较大的绝缘尺寸，以及存在二次开路危险。罗氏线圈的原理与电流互感器类似，无法测量直流电流，且灵敏度较低。而霍尔传感器虽然可以检测交流电和直流电，并且灵敏度较高，体积小，但是其信号输出温度稳定性差。(3)利用功率管的导通电阻(R_ds)进行检测，通过检测功率MOSFET漏源之间的电压来检测电流，虽然没有引入额外的功耗，但由于功率管导通电阻存在非线性和受温度影响变化较大等原因，检测精度很低。

因此，纵观功率器件结温和电流检测技术的最新进展，均难以直接适用于高温高压大电流应用场合下碳化硅功率器件的结温和电流提取。有鉴于此，本发明基于对碳化硅功率器件电致发光效应的研究，通过检测碳化硅功率器件的发光光强，实现了一种具备固有电气隔离的非接触式的检测方法，并且兼备检测碳化硅功率器件结温和电流的功能。

电致发光(Electro Luminescence Effect)也被称为场致发光，是将电能转化成光能的一种固态发光现象。功率级碳化硅由于电致发光效应能够发出可见光。根据相关辐射复合理论，功率级碳化硅4H-SiC中的发光机理主要两种：直接带间复合和杂质/缺陷深能级复合。其中电子在导带和价带间直接跃迁导致非平衡载流子的复合过程为直接带间复合，而非平衡载流子通过半导体中的杂质/缺陷在禁带中形成的深能级复合中心复合的过程就是杂质/缺陷深能级复合。

以碳化硅功率MOSFET为例，当其正向导通时，为单极型器件，不存在电子和空穴的复合发光现象；只有当电流从其寄生体二极管流过时，由于电子空穴的复合作用，才会出现电致发光现象。通过对碳化硅功率MOSFET寄生体二极管的发光光谱进行研究发现，碳化硅功率MOSFET直接带间复合和杂质/缺陷深能级复合发光波段的光强均与其工作结温和电流相关，其中直接带间复合发光波段的光强呈正温度系数关系，并随电流的上升而显著增强，而杂质/缺陷深能级复合发光波段的光强呈负温度系数关系，并随电流的上升而增强。通过定标校正环节，分别建立起碳化硅功率MOSFET两个发光波段与温度和电流的数据表格和函数模型，并通过计算将电流和温度解耦，则可以通过光电检测电路分别检测碳化硅功率MOSFET两个波段的发光光强来反推功率碳化硅的工作结温和电流。

发明内容

鉴于上述，本发明提供了一种非接触式碳化硅功率器件结温和电流的同步在线检测系统及检测方法，通过利用待测碳化硅功率器件工作过程中的电致发光效应，采用光电检测单元分别检测碳化硅功率器件电致发光光谱中直接带间复合波段和杂质/缺陷深能级复合波段所对应的发光强度得到两个输出电压信号，并建立两个输出电压信号与工作电流和工作结温的数据表格，通过线性回归的方法拟合得到函数模型，通过变换将温度和电流解耦，从而实现根据两个波段发光强度对应的光电检测单元输出电压信号来推导碳化硅功率器件工作结温和工作电流。该方法能够实现对碳化硅功率器件结温和电流的同步检测，并且具备固有电气隔离的特点，实现了非接触式测量，检测精度高，延迟时间短。

本发明的技术方案包括：

一、一种碳化硅功率器件的结温和电流同步检测系统：

具有电致发光效应的碳化硅功率器件；

所述的碳化硅功率器件是具备电致发光效应的碳化硅功率器件(MOSFET)S1、S2、S3和S4，碳化硅功率器件由电致发光效应发出宽谱域混合光。

主电路单元，连接到碳化硅功率器件上；

驱动单元，连接到碳化硅功率器件门极，具体连接到碳化硅功率器件S1、S2、S3和S4，用于提供开关控制信号，以控制碳化硅功率器件的导通和关断状态；

电流采样单元，连接到碳化硅功率器件回路中，具体连接到主电路单元的电感L所在的线路上，用于在定标校正环节中检测碳化硅功率器件的工作电流；

温控单元，温控单元连接到碳化硅功率器件上，用于在定标校正环节中调节和检测碳化硅功率器件的工作结温；

光电检测单元，包括光筛件、光导件和光电转换电路，用于转换光信号至电信号；光筛件采用两个具备不同透过波长的带通滤光片，对碳化硅功率器件发出的光进行滤光，分别使其第一主波峰波段和第二主波峰波段的光透过，并将其余波段的光进行反射和吸收；光导件是采用低损的石英光纤，经光导件将光筛件滤过的光分别导入到光电转换电路中；光电转换电路检测两个主波峰光的光强并得到对应的输出电压信号V₁和V₂；

结温电流检测单元，分别连接光电检测单元、温控单元、驱动单元和电流采样单元，用于接收来自温控单元所采集的碳化硅功率器件的工作结温、接收来自电流采样单元所采集的碳化硅功率器件的工作电流、接收来自驱动单元的对碳化硅功率器件进行控制的状态控制信号、接收碳化硅功率器件发光时来自光电检测单元所采集处理获得的输出电压信号V₁和V₂；根据光电检测单元检测碳化硅功率器件发光光强得到的电压信号V₁和V₂，实时计算得到碳化硅功率器件的工作结温和工作电流。

所述结温电流检测单元内存有各种工况下的由碳化硅功率器件的工作结温、碳化硅功率器件的工作电流和光电检测电路的输出电压信号V₁、V₂构建的数据表格和函数模型；待测情况下，实时根据光电检测单元检测碳化硅功率器件发光光强得到的电压信号V₁和V₂，通过解耦后的函数模型计算得到碳化硅功率器件的工作结温和工作电流。

本发明的工况包含了工作结温和工作电流的两个条件。

由两个光筛件、光导件和光电转换电路组成的光电检测单元，光筛件、光导件和光电转换电路依次连接，通过两个具有不同透过波长的光筛件对碳化硅功率器件发出的光进行滤光，使其中两个主波峰光通过，然后经光导件将光筛件滤过的光分别导入到光电转换电路中，得到两个主波峰光光强对应的输出电压信号；通过光电检测单元对不同工作结温和不同工作电流下碳化硅功率器件的发光光强进行检测，得到不同工况下光电检测单元检测两个主波峰光光强的输出电压信号，并建立光电检测单元的两个输出电压信号与碳化硅功率器件工作结温和工作电流的函数模型；在线检测环节中，将函数模型进行解耦根据输入光电检测单元的两个输出电压信号计算得到碳化硅功率器件的工作结温和工作电流。

所述光筛件处理中，以碳化硅功率器件直接带间复合发光所对应的波段为第一主波峰波段，以碳化硅功率器件杂质或者缺陷深能级复合发光所对应的波段为第二主波峰波段；其中一个光筛件的中心波长选择为第一主波峰峰值波长，带宽选择为第一主波峰的半峰值带宽，使第一主波峰波段的光透过，另一个光筛件的中心波长选择为第二主波峰峰值波长，带宽选择为第二主波峰的半峰值带宽，使第二主波峰波段的光透过，以此排除环境光的干扰。

所述的光电转换电路包括八个电阻R1～R8、四个电容C1～C4、两个低输入偏置电流放大器U1～U4，两个光敏二极管D1～D2；

经过第一个光筛件滤过的第一主波峰光I₁通过光导件导入到光敏二极管D1的光敏面上，光敏二极管D1的阳极接低输入偏置电流放大器U1的反相输入端，光敏二极管D1的阴极接地；电容C1与电阻R1并联后连接在低输入偏置电流放大器U1的反相输入端和低输入偏置电流放大器U1的输出端之间，低输入偏置电流放大器U1的正相输入端接地，低输入偏置电流放大器U1的输出端经电阻R2与低输入偏置电流放大器U2的正相输入端相连，低输入偏置电流放大器U2的正相输入端经电容C2接地，低输入偏置电流放大器U2的反相输入端经电阻R3接地，电阻R4两端分别连接在低输入偏置电流放大器U2的反相输入端和输出端之间；低输入偏置电流放大器U2的输出端信号为电压信号V₁；

经过第二个光筛件滤过的第二主波峰光I₂通过光导件导入到光敏二极管D2的光敏面上，光敏二极管D2的阳极接低输入偏置电流放大器U3的反相输入端，光敏二极管D2的阴极接地；电容C3与电阻R5并联后连接在低输入偏置电流放大器U3的反相输入端和低输入偏置电流放大器U3的输出端之间，低输入偏置电流放大器U3的正相输入端接地，低输入偏置电流放大器U3的输出端经电阻R6与低输入偏置电流放大器U4的正相输入端相连，低输入偏置电流放大器U4的正相输入端经电容C4接地，低输入偏置电流放大器U4的反相输入端经电阻R7接地，电阻R8两端分别连接在低输入偏置电流放大器U4的反相输入端和输出端之间；低输入偏置电流放大器U4的输出端信号为电压信号V₂。

所述的光电转换电路是采用高精度的光敏二极管D1和D2，将碳化硅功率器件电致发光的两个发光波段的光强I₁和I₂分别转化为光敏二极管光生电流的幅值大小I_p1和I_p2，并通过放大电路对光生电流进行放大和调理转化为电压信号V₁和V₂，实现光-电转化。

所述的主电路单元包括直流电压源V和电感L；直流电压源V的正极与碳化硅功率器件S1的漏极、碳化硅功率器件S2的漏极相连，直流电压源V的负极与碳化硅功率器件S3的源极、碳化硅功率器件S4的源极相连，电感L的一端均与碳化硅功率器件S1的源极、碳化硅功率器件S4的漏极相连，电感L的另一端均与碳化硅功率器件S2的源极、碳化硅功率器件S3的漏极相连。

所述的结温电流检测单元内置有FPGA/DSP/单片机，通过FPGA/DSP/单片机实现结温和电流检测的计算。

二、一种碳化硅功率器件的结温和电流同步检测方法，方法包括如下步骤：

(1)定标校正环节：

(1.1)在不超过碳化硅功率器件最大工作电压、最大工作电流以及最大工作结温的条件下，设定运行工况；

(1.2)通过温控单元控制碳化硅功率器件的稳态工作结温，通过驱动单元控制碳化硅功率器件S1和S3处于关断状态，S4处于开通状态，通过驱动单元控制碳化硅功率器件S2由开通状态切换到关断状态，使电流从碳化硅功率器件S3的寄生体二极管流过，此时由光电检测单元检测获得碳化硅功率器件S3的发光光强，得到两个主波峰光光强对应的输出电压信号V₁和V₂；

(1.3)通过驱动单元控制碳化硅功率器件S2的开通时长进行线性改变，从而改变碳化硅功率器件S3寄生体二极管的导通电流值，并且通过温控单元改变和控制工作结温；

(1.4)不断重复步骤进行不同工作结温、不同工作电流下碳化硅功率器件的工作，并进行碳化硅功率器件的工作结温、工作电流以及光电检测单元的输出电压信号V₁和V₂的检测采集，然后建立数据表格和函数模型；

(2)在线检测环节：采集光电检测单元的输出电压信号V₁和V₂；根据光电检测单元的输出信号V₁和V₂输入到解耦后的函数模型中计算得到碳化硅功率器件的工作结温和工作电流。

所述的函数模型通过对数据表格进行线性回归拟合的方式得到，其表达形式如下：

其中，V₁为光电检测单元检测碳化硅功率器件第一主波峰光对应的输出电压信号，V₂为光电检测单元检测碳化硅功率器件第二主波峰光对应的输出电压信号，T为碳化硅功率器件的工作结温，I为碳化硅功率器件的工作电流，p₀、p₁、p₂、p₃、p₄、p₅为第一主波峰光对应函数模型的通过线性回归拟合得到的第零、第一、第二、第三、第四、第五拟合参数，k₀、k₁、k₂、k₃为第二主波峰光对应函数模型的通过线性回归拟合得到的第零、第一、第二、第三拟合参数。

所述输入到解耦后的函数模型中计算得到碳化硅功率器件的工作结温和工作电流，具体如下：

其中，T_j为计算得到的碳化硅功率器件的工作结温，I_j为计算得到的碳化硅功率器件的工作电流，a、b、c、d、p、q为第一、第二、第三、第四、第五、第六中间参量，V₁为光电检测单元检测碳化硅功率器件第一主波峰光对应的输出电压信号，V₂为光电检测单元检测碳化硅功率器件第二主波峰光对应的输出电压信号，p₀、p₁、p₂、p₃、p₄、p₅为第一主波峰光对应函数模型的通过线性回归拟合得到的第零、第一、第二、第三、第四、第五拟合参数，k₀、k₁、k₂、k₃为第二主波峰光对应函数模型的通过线性回归拟合得到的第零、第一、第二、第三拟合参数。

本发明中通过检测碳化硅功率器件的电致发光光强实现了对碳化硅功率器件结温和电流的同步非接触式检测，特别适用于高温高压大电流下应用场合下的碳化硅功率器件的工作结温和芯片电流的在线检测。

基于上述技术方案，本发明具有以下有益技术效果：

(1)本发明通过检测碳化硅功率器件的发光光强来进行结温和电流监测，无需额外进行碳化硅功率器件电气量的测量，具备固有电气隔离的特点，实现了非接触式测量，能够轻易满足电压隔离等级的要求，并且光电检测电路的功耗极低，特别适用于工作在高压、大电流应用场合的碳化硅功率器件结温和电流的在线检测。

(2)本发明通过一个检测系统同时实现了对碳化硅功率器件结温和电流的检测，而现有的检测方法，无论是检测温度还是电流，都是自成体系，其检测装备相互独立的，因此本发明将两者有机的结合在一起，是一种高效率低成本的解决方案。

(3)本发明中建立了高拟合度的函数模型，实现了对碳化硅功率器件结温和电流的高精度检测，并且检测带宽高，延迟低。

综合来说，本发明通过检测碳化硅功率器件的电致发光强度来推导结温和电流，实现了非接触式的测量，具备固有电气隔离的特点，特别适用于工作在高温高压大电流应用场合的碳化硅功率器件的结温和电流检测，具有较高的精度和实时性。

附图说明

图1为碳化硅功率MOSFET的结构示意图和电致发光光谱示意图。

图2为本发明中碳化硅功率器件的结温和电流同步检测系统示意图。

图3为本发明中光电检测单元的检测示意图。

图4为本发明中光电检测电路的结构示意图。

图5为本发明中碳化硅功率MOSFET的控制时序。

图6为本发明中光电检测电路输出电压V₁与碳化硅功率器件的工作电流和工作结温的曲线拟合图。

图7为本发明中光电检测电路输出电压V₂与碳化硅功率器件的工作电流和工作结温的曲线拟合图。

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发明的技术方案进行详细说明。

图1所示了碳化硅功率MOSFET的结构示意图。碳化硅MOSFET具有工作在双极性导通模式下的pin体二极管，电流通过体二极管过程中，p区的空穴和N+区的电子被注入到碳化硅功率MOSFET的低掺杂区，在稳定工作状态时，注入和复合的过量载流子是平衡的，并且复合的能量会以光子的形式发射出去。所出射的光子由于两种辐射复合机理，在光谱中的390nm和510nm波段显示出两个发光峰，其中390nm的发光峰是由于直接带间复合产生的，而510nm的发光峰是由于杂质/缺陷深能级复合产生的。本发明则是综合利用碳化硅功率器件电致发光光谱中两个发光峰光强与电流和温度的关系，从而建立函数模型，通过解耦的方法推导出碳化硅功率器件结温和电流的计算公式。

图2所示了碳化硅功率MOSFET的工作结温和工作电流测试系统示意图。

整个测试系统主要包括四个碳化硅功率MOSFET、直流电源V、电感L、驱动单元、温控单元、光电检测单元、电流采样单元和结温电流检测单元。

主电路单元，连接到碳化硅功率器件(MOSFET)S1、S2、S3和S4；主电路单元包括直流电压源V和电感L；直流电压源V的正极与碳化硅功率器件S1的漏极、碳化硅功率器件S2的漏极相连，直流电压源V的负极与碳化硅功率器件S3的源极、碳化硅功率器件S4的源极相连，电感L的一端与碳化硅功率器件S1的源极和碳化硅功率器件S4的漏极相连，电感L的另一端与碳化硅功率器件S2的源极和碳化硅功率器件S3的漏极相连。

驱动单元，连接到碳化硅功率器件S1、S2、S3和S4，用于为碳化硅功率器件提供开关控制信号，以控制碳化硅功率器件的导通和关断状态；具体连接至碳化硅功率MOSFET中S1、S2、S3和S4的栅极和源极。驱动单元同时连接至结温电流检测单元，作为检测的触发信号。

电流采样单元，连接到碳化硅功率器件的功率回路中，用于在定标校正环节中检测碳化硅功率器件的导通电流，并将采样得到的电流值传递给结温电流检测单元。

温控单元，温控单元连接到碳化硅功率器件上，用于在定标校正环节中调节碳化硅功率器件的温度并输入到结温电流检测单元中建立模型；温控单元可以采用温控加热板也可以采用恒温控制装置(包括温度传感器，加热板与温控仪)，并将碳化硅功率MOSFET的温度传递给结温电流检测单元。

光电检测单元，检测碳化硅功率MOSFET的发光光强，并将检测的得到的输出电压信号V₁和V₂传递给结温电流检测单元。

光电检测单元如图3所示，对碳化硅功率MOSFET所发出的光进行检测。光电检测单元主要由光筛件、光导件和光电转换电路组成；通过两个具有不同透过波长的光筛件对碳化硅功率器件发出的光进行滤光，分别使其第一主波峰光和第二主波峰光通过，并排除其他波段的光和环境杂散光的干扰；经光导件将光筛件滤过的光分别导入到光电转换电路中；光电转换电路分别检测第一主波峰光的强度和第二主波峰光的强度，并将光信号转化为输出电压信号V₁和V₂。

光电检测单元中，其中一个光筛件采用中心波长为390nm，半带宽40nm，中心波长透过率为90％的带通滤光片，使直接带间复合光透过，另一个光筛件采用中心波长为510nm，半带宽60nm，中心波长透过率为90％的带通滤光片，使杂质/深能级复合光透过，并排除环境光的干扰；光导件采用光谱范围为200-1400nm、芯径直径1000μm以及数值孔径为0.22NA的低损耗多模石英光纤进行导光，带通滤光片通过光纤准直器安装在石英光纤的一端。

光电检测电路如图4所示，包括八个电阻R1～R8、四个电容C1～C4、两个低输入偏置电流放大器LTC6081(<100pA)U1～U4，两个光敏二极管D1和D2；其中光敏二极管D1和D2均采用高精度硅光敏二极管SFH250V，分别检测经过光筛、光导件滤过后的碳化硅功率器件特定波长的光波，并将第一主波峰光强I1和第二主波峰光强I2转换为光敏二极管光生电流I_p1和I_p2的大小；

光敏二极管D1的阳极接低输入偏置电流放大器U1的反相输入端，光敏二极管D1的阴极接地；此时光敏二极管D1工作在零偏置工作状态，其光生电流I_p1大小与光强成线性关系。电容C1与电阻R1并联后连接在低输入偏置电流放大器U1的反相输入端和低输入偏置电流放大器U1的输出端之间，低输入偏置电流放大器U1的正相输入端接地。此时，光敏二极管D1、放大器U1、电阻R1和电容C1组成的放大电路工作在互阻放大工作模式，将光生电流I_p1转化放大为电压信号，放大倍数为电阻R1的阻值，并且通过电容C1进行相位补偿，提高电路稳定性。低输入偏置电流放大器U1的输出端经电阻R2与低输入偏置电流放大器U2的正相输入端相连，低输入偏置电流放大器U2的正相输入端经电容C2接地，此时，电阻R2和电容C2组成的RC滤波网络实现滤波和相位补偿的功能。低输入偏置电流放大器U2的反相输入端经电阻R3接地，电阻R4两端分别连接在低输入偏置电流放大器U2的反相输入端和输出端之间；光敏二极管D1检测经过光筛件滤过后的碳化硅功率器件直接带间复合发光的光强I₁，并将光强转换为光敏二极管光生电流的大小，经两级低输入偏置电流放大器U1～U2处理后，从低输入偏置电流放大器U2输出获得电压信号V₁，低输入偏置电流放大器U2的输出端信号为电压信号V₁。电阻R3、电阻R4以及放大器U2组成了正相比例放大器，放大倍数由电阻R3和电阻R4决定，将前级信号放大为最终的光电电压信号V₁。

光敏二极管D2的阳极接低输入偏置电流放大器U3的反相输入端，光敏二极管D2的阴极接地；此时光敏二极管D2工作在零偏置工作状态，其光生电流I_p2大小与光强成线性关系。电容C3与电阻R5并联后连接在低输入偏置电流放大器U3的反相输入端和低输入偏置电流放大器U3的输出端之间，低输入偏置电流放大器U3的正相输入端接地。此时，光敏二极管D2、放大器U3、电阻R5和电容C3组成的放大电路工作在互阻放大工作模式，将光生电流I_p2转化放大为电压信号，放大倍数为电阻R5的阻值，并且通过电容C3进行相位补偿，提高电路稳定性。低输入偏置电流放大器U3的输出端经电阻R5与低输入偏置电流放大器U4的正相输入端相连，低输入偏置电流放大器U4的正相输入端经电容C4接地，此时，电阻R6和电容C4组成的RC滤波网络实现滤波和相位补偿的功能。低输入偏置电流放大器U4的反相输入端经电阻R7接地，电阻R8两端分别连接在低输入偏置电流放大器U2的反相输入端和输出端之间；光敏二极管D2检测经过光筛件滤过后的碳化硅功率器件深能级复合发光的光强I₂，并将光强转换为光敏二极管光生电流的大小，经两级低输入偏置电流放大器U3～U4处理后，从低输入偏置电流放大器U4输出获得电压信号V₂，低输入偏置电流放大器U4的输出端信号为电压信号V₂。电阻R7、电阻R8以及放大器U4组成了正相比例放大器，放大倍数由电阻R7和电阻R8决定，将前级信号放大为最终的光电电压信号V₂。

驱动单元提供碳化硅功率MOSFET的控制时序如图5所示。

碳化硅功率MOSFET模块的工作结温、碳化硅功率MOSFET的工作电流以及光电检测单元的输出电压信号V₁和V₂的数据表格和函数模型建立的测试流程如下：

(1)控制驱动单元的驱动信号，使碳化硅功率MOSFET中S1和S3处于关断状态，S4处于开通状态；调节温控单元控制碳化硅功率MOSFET模块的基板温度，使碳化硅功率MOSFET稳定在设定温度，设50摄氏度为初始设定温度；

(2)在t_o至t₁时刻内，碳化硅功率MOSFET中S2在t₀时刻开通，直流电源V通过碳化硅功率MOSFET中S2和S4对续流电抗器L进行充电，通过对t₀至t₁时间段的控制，将流经碳化硅功率MOSFET上管S1的电流调节至设定电流，并在t₁时刻将碳化硅功率MOSFET中S2关断，设5A为初始设定电流。

(3)在t1时刻开始，续流电抗器L中的电流通过碳化硅功率MOSFET下管S3的寄生体二极管进行续流，通过光电检测单元检测碳化硅功率MOSFET下管S3在t1时刻电致发光光强的大小得到电压信号V1和V2，以此记录下在初始设定温度下，初始设定电流下，光电检测单元的输出电压信号V1和V2；

(4)通过控制t0至t1的时间，调节设定电流的大小，以初始设定电流为起点，以一定的间隔逐步增长到最高设定电流，最高设定电流不超过碳化硅功率MOSFET的最大允许工作电流，重复(1)至(3)步骤，从而可以获取在碳化硅功率MOSFET设定温度不变，而碳化硅功率MOSFET反向导通电流变化的情况下，光电检测单元输出电压信号V1和V2的数据表格；

(5)通过温控单元控制碳化硅功率MOSFET的温度，以初始设定温度为起点，一定的间隔逐步增长到最高设定温度，最高设定温度不超过碳化硅功率MOSFET的最高允许工作结温，重复(1)至(4)步骤，建立并完善不同碳化硅功率MOSFET工作结温，不同碳化硅功率MOSFET工作电流下，与光电检测单元输出电压信号V₁和V₂的数据库。

通过上述测试过程，可以建立各运行工况下的碳化硅功率MOSFET模块的温度、碳化硅功率MOSFET的工作电流以及光电检测单元的输出电压信号V₁和V₂的数据表格。

针对数据表格进行线性回归拟合，可以建立各种工况下碳化硅功率器件的工作结温、碳化硅功率器件的工作电流以及光电检测电路的输出电压信号V₁和V₂的函数模型，其表达形式如下：

其中，V₁为光电检测单元检测碳化硅功率器件第一主波峰光的输出电压信号，V₂为光电检测单元检测碳化硅功率器件第二主波峰光的输出电压信号，T为碳化硅功率器件的工作结温，I为碳化硅功率器件的工作电流，p₀、p₁、p₂、p₃、p₄、p₅为第一主波峰光对应函数模型的通过线性回归拟合得到的第零、第一、第二、第三、第四、第五拟合参数，k₀、k₁、k₂、k₃为第二主波峰光对应函数模型的通过线性回归拟合得到的第零、第一、第二、第三拟合参数。

图6和图7分别显示了碳化硅功率MOSFET反向导通电流为5A、7A、9A、11A、13A和15A，温度为50℃、70℃、90℃、110℃、130℃时，光电检测电压信号V₁和V₂与碳化硅功率器件工作结温和导通电流的曲线拟合关系图。其中，p₀＝7.4e-6、p₁＝5.3e-4、p₂＝2.26e-6、p₃＝-7.7e-3、p₄＝6.6e-5、p₅＝1.73e-2，k₀＝-6.6e-5、k₁＝1.7e-2、k₂＝-1.31e-3、k₃＝0.323。可以看出此函数模型对实测点具有很好的拟合度。

通过对函数模型进行解耦，从而能够根据光电检测单元的电压信号V1和V2计算碳化硅功率器件的结温和电流，其表达形式如下：

其中，T_j为计算得到的碳化硅功率器件的工作结温，I_j为计算得到的碳化硅功率器件的工作电流，a、b、c、d、p、q为中间参量，V₁为光电检测单元检测碳化硅功率器件第一主波峰光的输出电压信号，V₂为光电检测单元检测碳化硅功率器件第二主波峰光的输出电压信号，p₀、p₁、p₂、p₃、p₄、p₅为第一主波峰光对应函数模型的第零、第一、第二、第三、第四、第五拟合参数，k₀、k₁、k₂、k₃为第二主波峰光对应函数模型的第零、第一、第二、第三拟合参数。

本发明实施进行多次测试，精度在95％以上，由此可见具有高精度的结果。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种碳化硅功率器件的结温和电流同步检测系统，其特征在于，包括：

具有电致发光效应的碳化硅功率器件；

主电路单元，连接到碳化硅功率器件上；

驱动单元，连接到碳化硅功率器件门极，用于提供开关控制信号；

电流采样单元，连接到碳化硅功率器件回路中，具体连接到主电路单元的电感L所在的线路上，用于在定标校正环节中检测碳化硅功率器件的工作电流；

温控单元，温控单元连接到碳化硅功率器件上，用于调节和检测碳化硅功率器件的工作结温；

光电检测单元，包括光筛件、光导件和光电转换电路，用于转换光信号至电信号；

所述的光电转换电路包括八个电阻R1～R8、四个电容C1～C4、两个低输入偏置电流放大器U1～U4，两个光敏二极管D1～D2；

经过第一个光筛件滤过的第一主波峰光I₁通过光导件导入到光敏二极管D1的光敏面上，光敏二极管D1的阳极接低输入偏置电流放大器U1的反相输入端，光敏二极管D1的阴极接地；电容C1与电阻R1并联后连接在低输入偏置电流放大器U1的反相输入端和低输入偏置电流放大器U1的输出端之间，低输入偏置电流放大器U1的正相输入端接地，低输入偏置电流放大器U1的输出端经电阻R2与低输入偏置电流放大器U2的正相输入端相连，低输入偏置电流放大器U2的正相输入端经电容C2接地，低输入偏置电流放大器U2的反相输入端经电阻R3接地，电阻R4两端分别连接在低输入偏置电流放大器U2的反相输入端和输出端之间；低输入偏置电流放大器U2的输出端信号为电压信号V₁；

经过第二个光筛件滤过的第二主波峰光I₂通过光导件导入到光敏二极管D2的光敏面上，光敏二极管D2的阳极接低输入偏置电流放大器U3的反相输入端，光敏二极管D2的阴极接地；电容C3与电阻R5并联后连接在低输入偏置电流放大器U3的反相输入端和低输入偏置电流放大器U3的输出端之间，低输入偏置电流放大器U3的正相输入端接地，低输入偏置电流放大器U3的输出端经电阻R6与低输入偏置电流放大器U4的正相输入端相连，低输入偏置电流放大器U4的正相输入端经电容C4接地，低输入偏置电流放大器U4的反相输入端经电阻R7接地，电阻R8两端分别连接在低输入偏置电流放大器U4的反相输入端和输出端之间；低输入偏置电流放大器U4的输出端信号为电压信号V₂；

结温电流检测单元，分别连接光电检测单元、温控单元、驱动单元和电流采样单元，用于接收来自温控单元所采集的碳化硅功率器件的工作结温、接收来自电流采样单元所采集的碳化硅功率器件的工作电流、接收来自驱动单元的对碳化硅功率器件进行控制的状态控制信号、接收碳化硅功率器件发光时来自光电检测单元所采集处理获得的输出电压信号V₁和V₂；根据光电检测单元检测碳化硅功率器件发光光强得到的电压信号V₁和V₂，实时计算得到碳化硅功率器件的工作结温和工作电流。

2.根据权利要求1所述的碳化硅功率器件的结温和电流同步检测系统，其特征在于，包括：

由两个光筛件、光导件和光电转换电路组成的光电检测单元，通过两个具有不同透过波长的光筛件对碳化硅功率器件发出的光进行滤光，使其中两个主波峰光通过，然后经光导件将光筛件滤过的光分别导入到光电转换电路中，得到两个主波峰光光强对应的输出电压信号；通过光电检测单元对不同工作结温和不同工作电流下碳化硅功率器件的发光光强进行检测，得到不同工况下光电检测单元检测两个主波峰光光强的输出电压信号，并建立光电检测单元的两个输出电压信号与碳化硅功率器件工作结温和工作电流的函数模型；将函数模型进行解耦根据输入光电检测单元的两个输出电压信号计算得到碳化硅功率器件的工作结温和工作电流。

3.根据权利要求1所述的碳化硅功率器件的结温和电流同步检测系统，其特征在于：

所述光筛件处理中，以碳化硅功率器件直接带间复合发光所对应的波段为第一主波峰波段，以碳化硅功率器件杂质或者缺陷深能级复合发光所对应的波段为第二主波峰波段；其中一个光筛件的中心波长选择为第一主波峰峰值波长，带宽选择为第一主波峰的半峰值带宽，使第一主波峰波段的光透过，另一个光筛件的中心波长选择为第二主波峰峰值波长，带宽选择为第二主波峰的半峰值带宽，使第二主波峰波段的光透过。

4.根据权利要求2所述的碳化硅功率器件的结温和电流同步检测系统，其特征在于：

所述的主电路单元包括直流电压源V和电感L；直流电压源V的正极与碳化硅功率器件S1的漏极、碳化硅功率器件S2的漏极相连，直流电压源V的负极与碳化硅功率器件S3的源极、碳化硅功率器件S4的源极相连，电感L的一端均与碳化硅功率器件S1的源极、碳化硅功率器件S4的漏极相连，电感L的另一端均与碳化硅功率器件S2的源极、碳化硅功率器件S3的漏极相连。

5.根据权利要求2所述的碳化硅功率器件的结温和电流同步检测系统，其特征在于：

所述的结温电流检测单元内置有FPGA/DSP/单片机，通过FPGA/DSP/单片机实现结温和电流检测的计算。

6.一种应用于如权利要求1～5任一所述检测系统的碳化硅功率器件的结温和电流同步检测方法，其特征在于方法包括如下步骤：

(1)定标校正环节：

(1.1)在不超过碳化硅功率器件最大工作电压、最大工作电流以及最大工作结温的条件下，设定运行工况；

(1.2)通过温控单元控制碳化硅功率器件的稳态工作结温，通过驱动单元控制碳化硅功率器件S1和S3处于关断状态，S4处于开通状态，通过驱动单元控制碳化硅功率器件S2由开通状态切换到关断状态，使电流从碳化硅功率器件S3的寄生体二极管流过，此时由光电检测单元检测获得碳化硅功率器件S3的发光光强，得到两个主波峰光光强对应的输出电压信号V₁和V₂；

(1.3)通过驱动单元控制碳化硅功率器件S2的开通时长进行线性改变，从而改变碳化硅功率器件S3寄生体二极管的导通电流值，并且通过温控单元改变和控制工作结温；

(1.4)重复步骤进行不同工作结温、不同工作电流下碳化硅功率器件的工作，并进行碳化硅功率器件的工作结温、工作电流以及光电检测单元的输出电压信号V₁和V₂的检测采集，然后建立数据表格和函数模型；

(2)在线检测环节：采集光电检测单元的输出电压信号V₁和V₂；根据光电检测单元的输出信号V₁和V₂输入到函数模型中计算得到碳化硅功率器件的工作结温和工作电流。

7.根据权利要求6所述的碳化硅功率器件的结温和电流同步检测方法，其特征在于：

所述的函数模型通过对数据表格进行线性回归拟合的方式得到，其表达形式如下：

其中，V₁为光电检测单元检测碳化硅功率器件第一主波峰光对应的输出电压信号，V₂为光电检测单元检测碳化硅功率器件第二主波峰光对应的输出电压信号，T为碳化硅功率器件的工作结温，I为碳化硅功率器件的工作电流，p₀、p₁、p₂、p₃、p₄、p₅为第一主波峰光对应函数模型的通过线性回归拟合得到的第零、第一、第二、第三、第四、第五拟合参数，k₀、k₁、k₂、k₃为第二主波峰光对应函数模型的通过线性回归拟合得到的第零、第一、第二、第三拟合参数。

8.根据权利要求6所述的碳化硅功率器件的结温和电流同步检测方法，其特征在于：

所述输入到函数模型中计算得到碳化硅功率器件的工作结温和工作电流，具体如下：

其中，T_j为计算得到的碳化硅功率器件的工作结温，I_j为计算得到的碳化硅功率器件的工作电流，a、b、c、d、p、q为第一、第二、第三、第四、第五、第六中间参量，V₁为光电检测单元检测碳化硅功率器件第一主波峰光对应的输出电压信号，V₂为光电检测单元检测碳化硅功率器件第二主波峰光对应的输出电压信号，p₀、p₁、p₂、p₃、p₄、p₅为第一主波峰光对应函数模型的通过线性回归拟合得到的第零、第一、第二、第三、第四、第五拟合参数，k₀、k₁、k₂、k₃为第二主波峰光对应函数模型的通过线性回归拟合得到的第零、第一、第二、第三拟合参数。

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