CN112556868B - 一种基于组合热敏电参数灵敏度增强的SiC MOSFET结温检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于组合热敏电参数灵敏度增强的SiC MOSFET结温检测方法，包括以下步骤：采用控制变量法对SiC MOSFET进行温升测试；根据测试数据标定热敏电参数与其相关变量的关系曲线；根据热敏电参数与其相关变量的关系曲线得到拟合方程；对热敏电参数与其相关变量的相关性进行分析，当存在两个热敏电参数与其多个相关变量具有线性关系，并且这两个热敏电参数具有除结温外的同一相关变量，所述同一相关变量与结温对各自热敏电参数相关性的一致性相反时；消去这两个热敏电参数除结温外的同一相关变量。本发明能够在不增加检测变量的同时提高结温检测的灵敏度，有效缓解了单一热敏电参数存在除结温外影响因素多和灵敏度低的问题，提高了SiC MOSFET结温检测精度。

Description

一种基于组合热敏电参数灵敏度增强的SiC MOSFET结温检测 方法

技术领域

本发明属于电力电子技术与电工技术领域，涉及一种适用于SiC MOSFET结温检测的方法。

背景技术

SiC器件凭借其高温、高速、高耐压的器件优势使得电力电子变换器在效率和功率密度方面获取得显著提升。但是，SiC器件的商业可用性亟需技术的成熟和可靠性的提升，从而实现充分有效地利用其性能。在变换器的所有故障中，功率器件故障占比为21％，此外功率器件的使用寿命也是影响变换器可靠性的关键因素。结温过高或波动过大成为主要的应力源和故障原因。电气方面：较高的结温将导致导通电压的增加和漏电流的上升，开关瞬态和导通状态下的功率损耗都会增加。热力学方面：最大瞬时结温和热循环导致的结温波动引起热机械应力的增加，这是导致功率器件故障或缩短使用寿命的主要原因

目前针对SiC MOSFET的结温检测方法主要分为侵入式结温检测和非侵入式结温检测。侵入式结温检测方法是指将传感器或者温敏元件嵌入功率器件中实现实时结温检测。这种方法固有的缺点是需要破坏功率器件的封装外壳，降低了器件可靠性，同时传感器与管芯之间的热阻抗影响检测精度。非侵入式结温检测包括基于Foster/Cauer热网络模型的结温检测方法、基于有限元方法(FEM)/有限差分法(FDM)的结温求解方法和基于功率器件热敏电参数的结温检测方法。其中，热网络模型法存在模型参数测试复杂和老化漂移等缺点。基于有限元法的结温计算速度较慢，难以实现在线结温检测。基于热敏电参数法的结温检测通过实时检测SiC MOSFET某些与温度相关的电参数，进而获取当前时刻的结温，具有响应速度快、精度高的优点。因此，基于热敏电参数的结温检测方法是目前最适用于SiCMOSFET在线结温检测的方法。

SiC MOSFET热敏电参数的选取需要综合对比各热敏电参数随结温变化的线性度与灵敏度以及与其相关的变量个数，优先选择线性度好，灵敏度高，除结温外的相关变量少的热敏电参数。但是，单一热敏电参数往往不能同时满足上述三个条件，线性度差的热敏电参数存在检测误差大的缺点甚至无法用于结温检测，灵敏度低降低了检测精度，而除结温外的影响因素多，即拟合方程中的相关变量多，增大了结温检测的预先曲线标定难度和实时检测难度。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种基于组合热敏电参数灵敏度增强的SiCMOSFET结温检测方法，能够在不增加检测变量的同时提高结温检测的灵敏度，有效缓解了单一热敏电参数可能存在除结温外影响因素多和灵敏度低的问题，提高了SiC MOSFET结温检测精度。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种基于组合热敏电参数灵敏度增强的SiC MOSFET结温检测方法，包括以下步骤：

采用控制变量法对SiC MOSFET进行温升测试；

根据测试数据标定热敏电参数与其相关变量的关系曲线；

根据热敏电参数与其相关变量的关系曲线得到拟合方程；

对热敏电参数与其相关变量的相关性进行分析比较，当存在两个热敏电参数与其多个相关变量具有线性关系，并且这两个热敏电参数具有除结温外的同一相关变量，所述同一相关变量与结温对各自热敏电参数相关性的一致性相反时，通过线性组合的方式消去这两个热敏电参数除结温外的同一相关变量；

将线性组合后的热敏电参数作为组合热敏电参数。

进一步的，所述热敏电参数具有包括结温在内的多个相关变量，通过测试数据预先标定热敏电参数与其相关变量之间的关系，在具体工况下通过实时检测相关变量数值以间接获取该时刻下的SiC MOSFET结温。

进一步的，所述同一相关变量与结温对各自热敏电参数相关性的一致性相反，包括：

热敏电参数中的结温对两个热敏电参数相关性一致，而同一相关变量对两个热敏电参数相关性相反；或者，结温对两个热敏电参数相关性相反，而同一相关变量对两个热敏电参数相关性一致，即：

TSEP₁＝f₁(T_j，A₁)＝a₁·T_j+b₁·A₁+c₁ (1-1)

TSEP₂＝f₂(T_j，A₁)＝a₂·T_j+b₂·A₁+c₂ (1-2)

其中，TSEP₁和TSEP₂为两个热敏电参数，T_j为结温，A₁为两个热敏电参数除结温外的同一相关变量；a₁，a₂，b₁，b₂，c₁，c₂为拟合系数；k₁，k₂为结温系数拟合系数之比。

进一步的，消去拟合方程中这热敏电参数除结温外的同一相关变量得到组合热敏电参数，即：

其中，TSEP为组合热敏电参数；

同时，所述SiC MOSFET的结温系数的绝对值变大，即：

且

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明提出了一种SiC MOSFET实时结温检测方法，该方法可实时检测SiC MOSFET结温，通过热敏电参数的线性组合，在不增加检测变量的同时实现检测灵敏度的提高，最终为开展SiC MOSFET可靠性研究提供更为精确的结温数据。

附图说明

图1(a)是本发明中SiC MOSFET热敏电参数的标定示意图。

图1(b)是本发明中SiC MOSFET热敏电参数的曲线拟合示意图。

图2(a)是本发明中实现灵敏度增强时拟合系数之比的k₁和k₂应满足的条件示意图。

图2(b)是本发明中实现灵敏度增强时拟合系数之比的k₁和k₂应满足的条件示意图。

图2(c)是本发明中实现灵敏度增强时拟合系数之比的k₁和k₂应满足的条件示意图。

图2(d)是本发明中实现灵敏度增强时拟合系数之比的k₁和k₂应满足的条件示意图。

图3是本发明中基于组合热敏电参数进行实时检测SiC MOSFET结温的原理图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。

如图1(a)、1(b)所示，通过对SiC MOSFET进行温升测试，标定热敏电参数与结温及其他相关变量之间的关系，选择线性度较好的热敏电参数并对其进行线性拟合，获取拟合方程。根据各热敏电参数的相关变量以及对各变量的线性关系，确定可以线性组合的热敏电参数。

如图2(a)、2(b)、2(c)、2(d)所示，下面以两个热敏电参数消去一个结温外相关变量为例，通过试验数据获取的拟合方程必须满足以下条件才能组合这两个热敏电参数：(1)两个热敏电参数各相关变量次数一致；(2)被消去的同一相关变量与结温对两个热敏电参数相关性的一致性相反，即k₁×k₂<0。另外，为了实现灵敏度增大，k₁和k₂需要满足的条件如图2所示，当k₁，k₂属于图2(b)和图2(d)的公共空白区时，可以达到灵敏度增强的目的，即：

且

如图3所示，在SiC MOSFET工况中实时检测热敏电参数(或还存在未消去的结温外的其他无关变量)，将实时检测的数据传送给微处理器DSP，在微处理器DSP中根据预先组合方程或查表法得到对应热敏电参数下的结温。

具体的，对于只含有两个相关变量的两个热敏电参数，并且满足高灵敏度组合条件时，组合后方程将只含有两个热敏电参数TSEP₁和TSEP₂，通过实时检测SiC MOSFET工作时的两个热敏电参数，然后将实时检测获得的数据传输给微处理器DSP，微处理器将获取的数据代入组合方程计算，即可获得实时的SiC MOSFET结温数据。

本发明的工作原理是：

当两个或多个热敏电参数满足线性组合条件时，通过线性组合的方式可以消去拟合方程中的结温外的无关变量，两个热敏电参数可以消去一个结温外同一相关变量或三个热敏电参数可以消去两个结温外相同相关变量，但是随着组合热敏电参数个数增加，组合需要满足的条件也变得更加苛刻。组合热敏电参数的最终目的是在不增加检测变量的同时提高结温检测的灵敏度，从而实时获取更为精准的SiC MOSFET结温数据。

本发明提出了一种SiC MOSFET实时结温检测方法，此方法可实时检测SiC MOSFET结温，通过热敏电参数的线性组合，在不增加检测变量的同时实现检测灵敏度的提高，最终为开展SiC MOSFET可靠性研究提供更为精确的结温数据。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于组合热敏电参数灵敏度增强的SiC MOSFET结温检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

采用控制变量法对SiC MOSFET进行温升测试；

根据测试数据标定热敏电参数与其相关变量的关系曲线；

根据热敏电参数与其相关变量的关系曲线得到拟合方程；

对热敏电参数与其相关变量的相关性进行分析比较，当存在两个热敏电参数与其多个相关变量具有线性关系，并且这两个热敏电参数具有除结温外的同一相关变量，所述同一相关变量与结温对各自热敏电参数相关性的一致性相反时，通过线性组合的方式消去这两个热敏电参数除结温外的同一相关变量；

所述同一相关变量与结温对各自热敏电参数相关性的一致性相反，包括：

热敏电参数中的结温对两个热敏电参数相关性一致，而同一相关变量对两个热敏电参数相关性相反；或者，结温对两个热敏电参数相关性相反，而同一相关变量对两个热敏电参数相关性一致，即：

TSEP₁＝f₁(T_j，A₁)＝a₁·T_j+b₁·A₁+c₁ (1-1）

TSEP₂＝f₂(T_j，A₁)＝a₂·T_j+b₂·A₁+c₂ (1-2)

其中，TSEP₁和TSEP₂为两个热敏电参数，T_j为结温，A₁为两个热敏电参数除结温外的同一相关变量；a₁，a₂，b₁，b₂，c₁，c₂为拟合系数；k₁，k₂为拟合系数之比；

消去拟合方程中这热敏电参数除结温外的同一相关变量得到组合热敏电参数，即：

其中，TSEP为组合热敏电参数；

同时，所述SiC MOSFET的结温系数的绝对值变大，即：

且

将线性组合后的热敏电参数作为组合热敏电参数。

2.根据权利要求1所述的基于组合热敏电参数灵敏度增强的SiC MOSFET结温检测方法，其特征在于：所述热敏电参数具有包括结温在内的多个相关变量，通过测试数据预先标定热敏电参数与其相关变量之间的关系，在具体工况下通过实时检测相关变量数值以间接获取该时刻下的SiC MOSFET结温。

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