CN114355134A - 基于功率器件开通延迟时间的在线状态监测电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于功率器件开通延迟时间的在线状态监测电路，包括：测量电路用于根据第一电压信号和第二电压信号，测量SiC MOSFET的开通延迟时间信号，并将开通延迟时间信号发送至采样电路；采样电路用于测量开通延迟时间信号的脉宽，并在将开通延迟时间信号转换为第一子信号后，发送第一子信号至评估单元；评估单元用于在第一子信号超出预设安全阈值时，产生预警信号并发送至控制电路；栅极驱动电路用于在接收到预警信号后，利用栅极驱动电路关断SiC MOSFET。本发明可以在线评估功率器件的健康状态，避免因功率器件退化和失效造成的经济损失或人员伤害，同时不影响功率器件在变流器中正常运行，易于和驱动进行集成设计。

Description

基于功率器件开通延迟时间的在线状态监测电路

技术领域

本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种基于功率器件开通延迟时间的在线状态监测电路。

背景技术

随着电力技术的不断发展，栅控型功率器件如SiC MOSFET器件、Si IGBT器件，凭借其高频、高功率、高速度等诸多优点，广泛应用于电动汽车等领域。通常，电力电子装置的运行温度会随着功率密度的增大而逐渐升高，工况也更加复杂，由于功率器件的可靠运行是影响整个电力电子装置安全运行的关键环节，功率器件在恶劣的运行条件下易出现退化失效，在器件运行整个寿命周期内，芯片自身故障以及封装退化可能导致严重的系统故障。因此，器件可靠运行对于提升整个装置的可靠性非常关键。

栅氧退化是导致栅控型功率器件失效的主要原因之一。以SiC MOSFET器件为例，由于SiC MOSFET器件栅氧工艺仍然不完善，栅氧与SiC/SiO₂界面存在较多缺陷，栅氧质量较差，器件在经过高温长期运行后，SiC/SiO₂界面陷阱数量会快速增加，导致其栅氧可靠性较差。另一方面，在高温、电场应力共同作用下，电荷在电场作用下可能隧穿进入器件的栅氧，随着电荷在栅氧陷阱和SiC/SiO₂界面陷阱中不断累积，功率器件栅氧会出现一定程度的退化，阈值电压和氧化层电容出现漂移，进而引起器件电学性能退化。

然而，相关技术中并没有适用于栅控型功率器件的栅氧健康状态在线监测方法，如何对功率器件的故障先兆特征参数进行实时监测成为本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于功率器件开通延迟时间的在线状态监测电路。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明实施例提供一种基于功率器件开通延迟时间的在线状态监测电路，包括：测量电路、栅极驱动电路、控制电路、采样电路和评估单元；其中，

所述测量电路与功率器件SiC MOSFET的栅极、开尔文源极以及功率源极连接，用于根据第一电压信号和第二电压信号，测量SiC MOSFET的开通延迟时间信号，并将所述开通延迟时间信号发送至采样电路；其中，所述第一电压信号为SiC MOSFET中栅极与开尔文源极之间的电压降信号，所述第二电压信号为SiC MOSFET中功率源极与开尔文源极之间的电压降信号；

所述采样电路，用于测量所述开通延迟时间信号的脉宽，并在将所述开通延迟时间信号转换为第一子信号后，发送所述第一子信号至评估单元；

所述评估单元，用于在所述第一子信号超出预设安全阈值时，产生预警信号并发送所述预警信号至所述控制电路；

所述栅极驱动电路与SiC MOSFET的栅极连接，所述控制电路用于在接收到预警信号后，利用所述栅极驱动电路关断SiC MOSFET。

在本发明的一个实施例中，所述测量电路包括第一比较器、第二比较器、D触发器和与门电路；其中，

所述第一比较器，用于获取SiC MOSFET在开通瞬态的第一电压信号，并根据第一参考电压确定测量所述开通延迟时间信号的起始点；

所述第二比较器，用于获取SiC MOSFET在开通瞬态的第二电压信号，并根据第二参考电压确定测量所述开通延迟时间信号的终止点；

所述D触发器，用于根据所述第一比较器的第一输出信号和所述第二比较器的第二输出信号生成第三输出信号；

所述与门电路，用于对所述第一输出信号及所述第三输出信号进行与运算，生成功率器件SiC MOSFET的开通延迟时间信号。

在本发明的一个实施例中，还包括第一参考电压端和第二参考电压端；

第一比较器的同相输入端与SiC MOSFET的栅极连接、反相输入端与所述第一参考电压端连接、输出端与所述D触发器的输入端D连接，所述第一比较器的输出端与所述D触发器的输入端D之间包括第一节点，第一节点与所述与门电路的第一输入端连接；第二比较器的同相输入端与SiC MOSFET的功率源极连接、反相输入端与所述第二参考电压端连接、输出端与所述D触发器的输入端CLK连接，所述D触发器的输出端

与所述与门电路的第二输入端连接。

在本发明的一个实施例中，所述开通延迟时间信号的起始点为SiC MOSFET的栅极驱动电压上升至栅极开通电压10％时的时间节点。

在本发明的一个实施例中，所述开通延迟时间信号的终止点为漏极电流上升至负载电流10％时的时间节点。

在本发明的一个实施例中，SiC MOSFET的开通延迟时间为：

其中，C_iss＝C_gd+C_gs，

C_gd表示SiC MOSFET的栅漏极电容，C_gs表示SiCMOSFET栅极与开尔文源极之间的电容，C_iss表示SiC MOSFET的输入电容，R_g表示SiC MOSFET的栅极驱动电阻，V_cc表示SiC MOSFET栅极与开尔文源极之间的开通电压，V_ee表示SiCMOSFET栅极与开尔文源极之间的关断电压。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明提供一种基于功率器件开通延迟时间的在线状态监测电路，包括：SiCMOSFET、测量电路、栅极驱动电路、控制电路、采样电路、评估单元和信息反馈单元，通过对SiC MOSFET的开通延迟时间进行在线监测，可以在电力电子装置运行过程中在线评估SiCMOSFET器件的健康状态，特别是栅氧的健康状态，从而避免因功率器件退化和失效造成的经济损失或人员伤害。

2、本发明仅需要通过检测栅源极电压信号以及开尔文源极与功率源极之间的电压降信号，即可测量得到功率器件SiC MOSFET的开通延迟时间信号，上述在线状态监测电路不影响功率器件在变流器内正常运行，易于和驱动进行集成设计。

3、本发明提供的在线状态监测电路适用于栅控型功率器件，具有成本低、电路结构简单等优点，可以准确获取功率器件的健康状态信息，解决了功率器件在线栅氧健康状态评估困难的问题。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于功率器件开通延迟时间的在线状态监测电路的一种结构示意图；

图2是本发明实施例提供的测量电路的一种电路图；

图3是本发明实施例提供的SiC MOSFET开通过程的一种示意图；

图4是本发明实施例提供的SiC MOSFET测量电路的一种控制时序图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

图1是本发明实施例提供的基于功率器件开通延迟时间的在线状态监测电路的一种结构示意图。请参见图1，本发明实施例提供一种基于功率器件开通延迟时间的在线状态监测电路1，包括：测量电路10、栅极驱动电路20、控制电路30、采样电路40和评估单元50；其中，

测量电路10与功率器件SiC MOSFET60的栅极、开尔文源极以及功率源极连接，用于根据第一电压信号和第二电压信号，测量SiC MOSFET60的开通延迟时间信号S₄，并将开通延迟时间信号S₄发送至采样电路40；其中，第一电压信号V_gs’为SiC MOSFET60中栅极与开尔文源极之间的电压降信号，第二电压信号V_ss’为SiC MOSFET60中功率源极与开尔文源极之间的电压降信号；

采样电路40，用于测量开通延迟时间信号S₄的脉宽，并在将开通延迟时间信号S₄转换为第一子信号后，发送第一子信号至评估单元50；

评估单元50，用于在第一子信号超出预设安全阈值时，产生预警信号并发送预警信号至控制电路30；

栅极驱动电路20与SiC MOSFET60的栅极连接，控制电路30用于在接收到预警信号后，利用栅极驱动电路20关断SiC MOSFET60。

本实施例中，上述在线状态监测电路1包括SiC MOSFET60、测量电路10、栅极驱动电路20、控制电路30、采样电路40和评估单元50。具体地，测量电路10与SiC MOSFET60的栅极、开尔文源极和功率源极连接，被测器件SiC MOSFET60的第一电压信号V_gs’及第二电压信号V_ss’作为测量电路10的输入，其中，第一电压信号V_gs’为SiC MOSFET60中栅极与开尔文源极之间的电压降信号，第二电压信号V_ss’为SiC MOSFET60中功率源极与开尔文源极之间的电压降信号；测量电路10的输出端与采样电路40连接，采样电路40测量开通延迟时间信号S₄的脉宽，并将开通延迟时间信号S₄转换为数字信号，得到第一子信号；进一步地，采样电路40的输出端与评估单元50连接，评估单元50将第一子信号与预设安全阈值进行比较，当第一子信号超出预设安全阈值时，产生预警信号；可选地，评估单元50的输出端与控制电路连接，控制电路与栅极驱动电路20连接，栅极驱动电路20连接至SiC MOSFET60的栅极，在控制电路在接收到预警信号之后，控制电路利用栅极驱动电路20关断SiC MOSFET60，从而避免被测器件完全失效。

应当理解，本实施例中电路测量开通延迟时间信号S₄的脉宽与SiC MOSFET60的开通延迟时间一致。

可见，上述在线状态监测电路1通过提取功率器件SiC MOSFET60开通瞬态过程中的开通延时信号S₄作为关键特征参数，进行初始状态标定与实时在线监测，通过监测发生关键特征参数的变化来对功率器件的健康状态和可靠性评估，同时避免电力电子装置出现灾难性故障。此外，本实施例在实现功率器件SiC MOSFET60的关键特征参数在线状态监测的同时，不影响器件及变流器装置的正常运行，能有效监测功率器件栅氧相关退化，解决了现有技术中如SiC MOSFET、Si IGBT器件的栅氧可靠性在线评估困难的问题，易于和驱动进行集成设计。

图2是本发明实施例提供的测量电路10的一种电路图。如图2所示，测量电路10包括第一比较器CMP1、第二比较器CMP2、D触发器101和与门电路102；其中，

第一比较器CMP1，用于获取SiC MOSFET60在开通瞬态的第一电压信号V_gs’，并根据第一参考电压V_ref1确定测量开通延迟时间信号S₄的起始点；

第二比较器CMP2，用于获取SiC MOSFET60在开通瞬态的第二电压信号V_ss’，并根据第二参考电压V_ref2确定测量开通延迟时间信号S₄的终止点；

D触发器101，用于根据第一比较器CMP1的第一输出信号S₁和第二比较器CMP2的第二输出信号S₂生成第三输出信号S₃；

与门电路102，用于对第一输出信号S₁及第三输出信号S₃进行与运算，生成功率器件SiC MOSFET60的开通延迟时间信号S₄。

本实施例中，测量电路10包括两个比较器、一个D触发器101以及与门电路102。其中，第一比较器CMP1和第二比较器CMP2分别获取SiC MOSFET60在开通瞬间的第一电压信号V_gs’、第二电压信号V_ss’，第一比较器CMP1将第一参考电压V_ref1与第一电压信号V_gs’进行比较，当第一电压信号V_gs’大于第一参考电压V_ref1信号时，第一比较器CMP1产生第一输出信号S₁，表示SiC MOSFET60的栅极电压开始上升；类似地，第二比较器CMP2将第二参考电压V_ref2与第二电压信号V_ss’进行比较，当第二电压信号V_ss’大于第二参考电压V_ref2信号时，第二比较器CMP2产生第二输出信号S₂，表示有电流流过SiC MOSFET60；进一步地，D触发器101对第一比较器CMP1的第一输出信号S₁及第二比较器CMP2的第二输出信号S₂进行逻辑运算，生成第三输出信号S₃，而后与门电路102将第一输出信号S₁与第三输出信号S₃相与，生成待测器件的开通延迟时间信号S₄。

图3是本发明实施例提供的SiC MOSFET60开通过程的一种示意图。下面，结合图2-3对SiC MOSFET60的开通过程进行说明。

如图3所示，SiC MOSFET60的整个开通过程可划分为四个不同阶段，本实施例仅对开通延迟阶段，即t₀～t₁时间段进行分析。在开通延迟阶段，SiC MOSFET60工作在截止区域，其漏极电流、以及漏极与开尔文源极之间的电压均保持恒定。在t₀处，漏极与开尔文源极之间的电压以阶跃函数的方式变化，输入电容由栅极电流通过栅极电阻充电，该过程中栅极电流为栅源极电容充电，而小部分栅极电流则流经栅漏极电容，V_gs’不断升高、SiCMOSFET60的漏极电流保持为零。请继续参见图3，在t₁之后，V_gs’上升到阈值电压电平以上，且在t₁～t₂时间段内I_d迅速升高，进而在开尔文源极和功率源极之间的寄生电感L_sp上产生感应电压降V_ss'。

可选地，SiC MOSFET60的器件开通延迟时间信号S₄可表示为：

其中，

C_iss＝C_gd+C_gs (2)

C_gd表示SiC MOSFET60的栅漏极电容，C_gs表示SiC MOSFET60栅极与开尔文源极之间的电容，C_iss表示SiC MOSFET60的输入电容，R_g表示SiC MOSFET60的栅极驱动电阻，V_cc表示SiC MOSFET60栅极与开尔文源极之间的开通电压，V_ee表示SiC MOSFET60栅极与开尔文源极之间的关断电压。

需要说明的是，SiC MOSFET60的栅漏极电容C_gd由栅极氧化层电容C_ox与栅极氧化层下偏置电压相关的耗尽电容C_dep串联组成，C_ox与C_dep的表达式分别为：

可选地，SiC MOSFET60阈值电压为：

式中，φ_ms表示SiC MOSFET60栅极与衬底之间的金属半导体功函数差，C_ox表示栅氧特征电容，ψ_B表示衬底的费米电势，ε_SiC为SiC MOSFET60的相对介电常数，N_A为p体区的掺杂，q为电子电荷，Q_f为固定氧化物电荷密度，N_it为中性能级和导带之间占据的陷阱数。

发明人经分析发现，随着SiC MOSFET60器件的老化，栅氧内部包括界面陷阱电荷和氧化层陷阱电荷将不断积累，导致阈值电压漂移或是栅极氧化层电容发生改变，这些都会改变SiC MOSFET60开通延迟时间，因此可以将开通延迟时间变化的信息用于分析SiCMOSFET60器件栅氧退化情况。

可以理解的是，对于具有开尔文源极的功率器件，漏极电流流过功率器件的瞬间会在开尔文源极与功率源极之间产生感应电压降V_ss’，因此，利用这一特性可以判定开通延迟时间的测量结束点。

本实施例中，感应电压降V_ss’为：

可选地，开通延迟时间信号S₄的起始点为SiC MOSFET60的栅极驱动电压上升至栅极开通电压10％时的时间节点，开通延迟时间信号S₄的终止点为电流上升至负载电流10％时的时间节点。

请继续参见图2，上述基于功率器件开通延迟时间的在线状态监测电路1还包括第一参考电压V_ref1端和第二参考电压V_ref2端；

第一比较器CMP1的同相输入端与SiC MOSFET60的栅极连接、反相输入端与第一参考电压V_ref1端连接、输出端与D触发器101的输入端D连接，第一比较器CMP1的输出端与D触发器101的输入端D之间包括第一节点，第一节点与与门电路102的第一输入端连接；第二比较器CMP2的同相输入端与SiC MOSFET60的功率源极连接、反相输入端与第二参考电压V_ref2端连接、输出端与D触发器101的输入端CLK连接，D触发器101的输出端Q与与门电路102的第二输入端连接。

本实施例中，第一参考电压V_ref1和第二参考电压V_ref2可以根据实际需要灵活调整，进而通过设置第一参考电压V_ref1和第二参考电压V_ref2来调节开通延迟测量的开始点与结束点。

图4是本发明实施例提供的SiC MOSFET60测量电路10的一种控制时序图。请参见图2及图4，当控制电路给栅极驱动电路20发出PWM控制信号后，SiC MOSFET60器件开始开通，其中，第一输出信号S₁对应的是栅源极电压信号变化，第二输出信号S₂对应的是漏极电流出现时刻，在漏极电流达到负载电流稳定之后，第二输出信号S₂结束。而在SiC MOSFET60器件关断时，由于漏极电流降低在功率源极电感上会产生感应电压降，因此SiC MOSFET60关断时第二输出信号S₂产生一个高电平信号。第三输出信号S₃对应的是D触发器101根据第一输出信号S₁和第二输出信号S₂的逻辑输出结果，在SiC MOSFET60开通之前第三输出信号S₃开始为高电平，在器件电流开始流过器件以后，第三输出信号S₃变为低电平。在器件关断之后，第三输出信号S₃重新变为高电平。通过与门电路102，得到的开通延迟信号S₄仅仅在开通瞬态过程中会出现一个高电平信号，而且开通延迟信号S₄与开通延迟时间相同。

通过上述各实施例可知，本发明的有益效果在于：

1、本发明提供一种基于功率器件开通延迟时间的在线状态监测电路，包括：SiCMOSFET、测量电路、栅极驱动电路、控制电路、采样电路、评估单元和信息反馈单元，通过对SiC MOSFET的开通延迟时间进行在线监测，可以在电力电子装置运行过程中在线评估SiCMOSFET器件的健康状态，特别是栅氧的健康状态，从而避免因功率器件退化和失效造成的经济损失或人员伤害。

2、本发明仅需要通过检测栅源极电压信号以及开尔文源极与功率源极之间的电压降信号，即可测量得到功率器件SiC MOSFET的开通延迟时间信号，上述在线状态监测电路不影响功率器件在变流器内正常运行，易于和驱动进行集成设计。

3、本发明提供的在线状态监测电路适用于栅控型功率器件，具有成本低、电路结构简单等优点，可以准确获取功率器件的健康状态信息，解决了功率器件在线栅氧健康状态评估困难的问题。

在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

尽管在此结合各实施例对本申请进行了描述，然而，在实施所要求保护的本申请过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于功率器件开通延迟时间的在线状态监测电路，其特征在于，包括：测量电路、栅极驱动电路、控制电路、采样电路和评估单元；其中，

所述测量电路与功率器件SiC MOSFET的栅极连接、SiC MOSFET的开尔文源极连接以及SiC MOSFET的功率源极连接，用于根据第一电压信号和第二电压信号，测量SiC MOSFET的开通延迟时间信号，并将所述开通延迟时间信号发送至采样电路；其中，所述第一电压信号为SiC MOSFET中栅极与开尔文源极之间的电压降信号，所述第二电压信号为SiC MOSFET中功率源极与开尔文源极之间的电压降信号；

所述采样电路，用于测量所述开通延迟时间信号的脉宽，并在将所述开通延迟时间信号转换为第一子信号后，发送所述第一子信号至评估单元；

所述评估单元，用于在所述第一子信号超出预设安全阈值时，产生预警信号并发送所述预警信号至所述控制电路；

所述栅极驱动电路与SiC MOSFET的栅极连接，所述控制电路用于在接收到预警信号后，利用所述栅极驱动电路关断SiC MOSFET。

2.根据权利要求1所述的基于功率器件开通延迟时间的在线状态监测电路，其特征在于，所述测量电路包括第一比较器、第二比较器、D触发器和与门电路；其中，

所述第一比较器，用于获取SiC MOSFET在开通瞬态的第一电压信号，并根据第一参考电压确定测量所述开通延迟时间信号的起始点；

所述第二比较器，用于获取SiC MOSFET在开通瞬态的第二电压信号，并根据第二参考电压确定测量所述开通延迟时间信号的终止点；

所述D触发器，用于根据所述第一比较器的第一输出信号和所述第二比较器的第二输出信号生成第三输出信号；

所述与门电路，用于对所述第一输出信号及所述第三输出信号进行与运算，生成功率器件SiC MOSFET的开通延迟时间信号。

3.根据权利要求2所述的基于功率器件开通延迟时间的在线状态监测电路，其特征在于，还包括第一参考电压端和第二参考电压端；

第一比较器的同相输入端与SiC MOSFET的栅极连接、反相输入端与所述第一参考电压端连接、输出端与所述D触发器的输入端D连接，所述第一比较器的输出端与所述D触发器的输入端D之间包括第一节点，第一节点与所述与门电路的第一输入端连接；第二比较器的同相输入端与SiC MOSFET的功率源极连接、反相输入端与所述第二参考电压端连接、输出端与所述D触发器的输入端CLK连接，所述D触发器的输出端

与所述与门电路的第二输入端连接。

4.根据权利要求1所述的基于功率器件开通延迟时间的在线状态监测电路，其特征在于，所述开通延迟时间信号的起始点为SiC MOSFET的栅极驱动电压上升至栅极开通电压10％时的时间节点。

5.根据权利要求4所述的基于功率器件开通延迟时间的在线状态监测电路，其特征在于，所述开通延迟时间信号的终止点为漏极电流上升至负载电流10％时的时间节点。

6.根据权利要求1所述的基于功率器件开通延迟时间的在线状态监测电路，其特征在于，SiC MOSFET的开通延迟时间为：

其中，C_iss＝C_gd+C_gs，

C_gd表示SiC MOSFET的栅漏极电容，C_gs表示SiCMOSFET栅极与开尔文源极之间的电容，C_iss表示SiC MOSFET的输入电容，R_g表示SiC MOSFET的栅极驱动电阻，V_cc表示SiC MOSFET栅极与开尔文源极之间的开通电压，V_ee表示SiCMOSFET栅极与开尔文源极之间的关断电压。

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