CN117741388A - 一种SiC MOSFET结温监测电路和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种SiC MOSFET结温监测电路和方法，所述SiC MOSFET结温监测电路包括RC缓冲电路和信号调理电路；RC缓冲电路用于连接待测功率器件Q1的漏极和源极；RC缓冲电路用于捕获待测功率器件Q1开通时漏‑源电压的变化起始时刻，输出一电压信号，并将电压信号的幅值缩小至信号调理电路的安全阈值内；信号调理电路与RC缓冲电路的输出端相连；信号调理电路和待测功率器件Q1的栅极相连；信号调理电路用于对来自RC缓冲电路的电压信号进行运算处理，并与来自待测功率器件Q1的PWM信号进行逻辑比较，转换出表征待测功率器件Q1结温所需的温度敏感电参数。本发明能够提高温敏电参数的敏感度，且不需要在正常开关周期内添加额外的测试脉冲，实现器件结温的实时在线监测。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子领域，特别是涉及一种SiC MOSFET结温监测电路和方法。
背景技术
近年来，由于碳化硅-金属氧化物半导体场效应晶体管（SiC MOSFET）导通电阻小、开关速度快、功率密度大以及耐高温高压等良好的器件特性，逐渐取代IGBT器件被应用于大功率电源、变换器和输电等电力领域。但同时，较小的芯片体积和薄弱的门极介电层使SiC MOSFET的可靠性受到挑战。统计发现，在所有功率系统失效的原因中，由于功率器件或模块毁坏所导致的占31%，位居所有可能性榜首。而在器件的所有毁坏原因中，由于温度导致的占55%。因此，准确的器件结温监测对功率器件和功率系统的安全稳定运行具有重要意义。
虽然现有技术中的SiC分立器件的芯片面积小，但电流密度高，因此与IGBT相比，其发热量较高，但散热能力较差。同时，由于SiC MOSFET沟道迁移率具有正温度特性，当结温超过器件的本征激发温度时，沟道迁移率骤增，漏源极电流急剧上升并对器件造成不可逆的破坏。为了使SiC MOSFET避免热击穿带来的损害，确保SiC器件安全可靠工作，结温监测是至关重要的。
目前，现有技术中的结温检测方法通常为以下几类：1、基于电热模型的仿真监测；2、通过测温设备直接探测。其中，方法1依赖于建模和算法的准确度，且计算量大，不适合进行在线监测。方法2虽然可以最直观的检测到器件壳温，但是无法探测到封装内部的结温。同时，常用的温度检测设备，例如热成像仪通常造价较高，且输出结果无法在线处理。
为此，亟需提出一种SiC MOSFET结温监测电路和方法，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提出一种SiC MOSFET结温监测电路和方法，能够提高温敏电参数的敏感度，且不需要在正常开关周期内添加额外的测试脉冲，能够实现器件结温的实时在线监测。
为解决上述技术问题，本发明提供一种SiC MOSFET结温监测电路，包括RC缓冲电路和信号调理电路；
所述RC缓冲电路用于连接待测功率器件Q1的漏极和源极；
所述RC缓冲电路用于捕获所述待测功率器件Q1开通时漏-源电压的变化起始时刻，输出一电压信号，并将所述电压信号的幅值缩小至所述信号调理电路的安全阈值内；
所述信号调理电路与所述RC缓冲电路的输出端相连；所述信号调理电路和所述待测功率器件Q1的栅极相连；
所述信号调理电路用于对来自所述RC缓冲电路的电压信号进行运算处理，并与来自所述待测功率器件Q1的PWM信号进行逻辑比较，转换出表征所述待测功率器件Q1结温所需的温度敏感电参数。
进一步的，所述RC缓冲电路包括电容C1与电阻R1；所述电容C1的一端与所述电阻R1相连，另一端与所述待测功率器件Q1的漏极相连；所述电阻R1远离所述电容C1的一端连接所述待测功率器件Q1的源极；所述信号调理电路的输入端连接至所述电容C1与电阻R1之间。
进一步的，所述信号调理电路包括峰值检测单元和逻辑变换单元；所述峰值检测单元的一端连接至所述电容C1与电阻R1之间；所述逻辑变换单元的输入端与所述峰值检测单元的另一端相连；所述逻辑变换单元的输入端和所述待测功率器件Q1的栅极相连。
进一步的，所述峰值检测单元包括二极管D1、二极管D2、负载开关M1和保持电容C2；所述二极管D1的阴极连接至所述电容C1与电阻R1之间，阳极与所述保持电容C2的一端和所述逻辑变换单元相连；所述保持电容C2的另一端连接至所述待测功率器件Q1的源极；所述二极管D2的阴极连接至所述二极管D1的阴极；所述负载开关M1的门极连接至所述二极管D2的阳极，源极连接至所述二极管D1的阳极，漏极连接所述保持电容C2的另一端和待测功率器件Q1的源极。
进一步的，所述峰值检测单元还包括反相放大器VU1；所述反相放大器VU1的反相输入端与所述保持电容C2和二极管D1的阳极相连，同相输入端接地，输出端与所述逻辑变换单元相连。
进一步的，所述逻辑变换单元包括异或门U2和与门U3；所述异或门U2和与门U3的输入端均与所述待测功率器件Q1的栅极连接；所述异或门U2的输入端与所述反相放大器VU1的输出端连接；所述与门U3的输出端用于信号输出。
进一步的，所述待测功率器件Q1的栅极连接有电阻Rg；所述电阻Rg远离所述待测功率器件Q1的一端连接有驱动件；所述驱动件远离所述电阻Rg的一端与所述逻辑变换单元相连。
此外，本发明还提出一种SiC MOSFET结温监测方法，采用如上述所述的SiCMOSFET结温监测电路，具体包括如下：
通过RC缓冲电路捕获待测功率器件Q1开通时漏-源电压的变化起始时刻，并输出一电压信号，还将所述电压信号的幅值缩小至所述信号调理电路的安全阈值内；
所述信号调理电路对来自所述电压信号进行运算处理，并与来自所述待测功率器件Q1的PWM信号进行逻辑比较，转换出表征所述待测功率器件Q1结温所需的温度敏感电参数。
进一步的，通过所述信号调理电路中的峰值检测单元将所述电压信号在开通过程中出现的负峰值保持在所述峰值检测单元中保持电容C2的两侧。
进一步的，通过所述信号调理电路中的反相放大器VU1将所述保持电容C2两侧的负压进行反向放大，并输送至所述信号调理电路中的异或门U2，与所述PWM信号进行异或运算；再将结果输送至所述信号调理电路中的与门U3，再次与所述PWM信号进行与运算，最终输出所述待测功率器件Q1结温所需的温度敏感电参数。
通过上述技术方案，本发明具有如下有益效果：
通过RC缓冲电路和信号调理电路的设置；以及RC缓冲电路用于连接待测功率器件Q1的漏极和源极；RC缓冲电路用于捕获待测功率器件Q1开通时漏-源电压的变化起始时刻，输出一电压信号，并将电压信号的幅值缩小至信号调理电路的安全阈值内；信号调理电路与RC缓冲电路的输出端相连；信号调理电路和待测功率器件Q1的栅极相连；信号调理电路用于对来自RC缓冲电路的电压信号进行运算处理，并与来自待测功率器件Q1的PWM信号进行逻辑比较，转换出表征待测功率器件Q1结温所需的温度敏感电参数。本电路能够提高温敏电参数的敏感度，且电路结构简单，允许在线测量，不需要在正常开关周期内添加额外的测试脉冲，从而能够实现器件结温的实时在线监测，提高监测效果。
附图说明
图1为本发明一实施例中SiC MOSFET结温监测电路的整体结构示意图；
图2为本发明一实施例中SiC MOSFET结温监测方法的流程图；
图3为本发明一实施例中SiC MOSFET结温监测方法的时序图；
图4为本发明一实施例中SiC MOSFET结温监测方法中待测功率器件Q1处于不同结温时的电路输出波形示意图；
图5为本发明一实施例中SiC MOSFET结温监测方法中温度敏感电参数与待测功率器件Q1结温的对应示意图。
图中，1、SiC MOSFET结温监测电路；100、RC缓冲电路；200、峰值检测单元；300、逻辑变换单元；2、SiC MOSFET功率器；3、驱动件。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的一种SiC MOSFET结温监测电路和方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
如图1所示，本发明实施例提出了一种SiC MOSFET结温监测电路和方法，包括RC缓冲电路100和信号调理电路。
具体的，所述RC缓冲电路100用于连接待测功率器件Q1的漏极和源极（为了图示的简洁，将RC缓冲电路100与待测功率器件Q1的连接线以三角形代替，如图1中右边虚线框内的RC缓冲电路100中的电阻R1的连接线以三角形表示，所述待测功率器件Q1的源极的连接线也以三角形表示，两个三角形为同一个，则RC缓冲电路100连接所述待测功率器件Q1的源极）；所述RC缓冲电路100用于捕获所述待测功率器件Q1开通时漏-源电压的变化起始时刻，输出一电压信号，并将所述电压信号的幅值缩小至所述信号调理电路的安全阈值内；所述信号调理电路与所述RC缓冲电路100的输出端（位于图1中电容C1与电阻R1之间的连接处）相连；所述信号调理电路和所述待测功率器件Q1的栅极相连；所述信号调理电路用于对来自所述RC缓冲电路100的电压信号进行运算处理，并与来自所述待测功率器件Q1的PWM信号进行逻辑比较，转换出表征所述待测功率器件Q1结温所需的温度敏感电参数。
其中，本实施例将SiC MOSFET功率器2（即待测功率器件Q1）的开通PWM信号的上升沿到漏-源电压下降起始点的时间跨度作为温度敏感电参数，实现针对于SiC MOSFET功率器2的结温监测。其中，图1中虚线框内的DUT表示为SiC MOSFET功率器2，即待测功率器件Q1。
具体的，当所述待测功率器件Q1在不同结温下开通时，由于开通延时的时间和漏-源电流变化率随温度偏移，导致其漏-源电压变化的初始时刻发生偏移，所述变化特性通过后端的处理电路（后端的处理电路指的是信号调理电路）处理后，可以得到待测功率器件Q1开通的起始信号至漏-源电压下降起始点之间的时间间隔，从而可以实现结温监测。
在本实施例中，所述RC缓冲电路100包括电容C1与电阻R1。具体的，所述电容C1的一端与所述电阻R1相连，另一端与所述待测功率器件Q1的漏极相连；所述电阻R1远离所述电容C1的一端连接所述待测功率器件Q1的源极；所述信号调理电路的输入端连接至所述电容C1与电阻R1之间。
在一实施例中，所述信号调理电路包括峰值检测单元200和逻辑变换单元300。具体的，所述峰值检测单元200的一端连接至所述电容C1与电阻R1之间，用于检测并保持输出的所述电压信号最大值，且具有自适应重置功能（具体为：当DUT（即待测功率器件Q1）关断时，正向的漏源电压（即图3中的VDS）变化率导致负载开关M1的栅源电压大于其阈值电压，负载开关M1导通，保持电容C2上的电压被负载开关M1的沟道电阻泄放，保持电容C2两端电压被重置归零）。另外，所述逻辑变换单元300的输入端与所述峰值检测单元200的另一端相连；所述逻辑变换单元300的输入端和所述待测功率器件Q1的栅极相连。所述逻辑变换单元300的输入端用于对所述电压信号进行运算处理，并与所述PWM信号进行逻辑比较，转换出表征所述待测功率器件Q1结温所需的温度敏感电参数。
其中，逻辑变换单元300的输入端为图1中的异或门U2的输入端。
在本实施例中，所述峰值检测单元200包括二极管D1、二极管D2、负载开关M1和保持电容C2。具体的，所述二极管D1的阴极连接至所述电容C1与电阻R1之间，阳极与所述保持电容C2的一端和所述逻辑变换单元300相连；所述保持电容C2的另一端连接至所述待测功率器件Q1的源极（为了图示的简洁，如图1所示，将保持电容C2的另一端与所述待测功率器件Q1的源极的连接线以三角形表示，即所述保持电容C2的另一端的连接线以三角形表示，所述待测功率器件Q1的源极的连接线也以三角形表示，两个三角形为同一个，则保持电容C2的另一端连接所述待测功率器件Q1的源极）；所述二极管D2的阴极连接至所述二极管D1的阴极；所述负载开关M1的门极连接至所述二极管D2的阳极，源极连接至所述二极管D1的阳极，漏极连接所述保持电容C2的另一端和待测功率器件Q1的源极。
优选的，二极管D1是肖特基二极管、二极管D2是齐纳（稳压）二极管；负载开关M1是一个低功率的N沟道增强型MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）。
进一步的，所述峰值检测单元200还包括反相放大器VU1。具体的，所述反相放大器VU1的反相输入端与所述保持电容C2和二极管D1的阳极相连，同相输入端接地，输出端与所述逻辑变换单元300相连。
在本实施例中，所述逻辑变换单元300包括异或门U2和与门U3。具体的，；所述异或门U2和与门U3的输入端均与所述待测功率器件Q1的栅极连接；所述异或门U2的输入端与所述反相放大器VU1的输出端连接；所述与门U3的输出端用于信号输出。
在一实施例中，所述待测功率器件Q1的栅极连接有电阻Rg。
进一步的，所述电阻Rg远离所述待测功率器件Q1的一端连接有驱动件3；所述驱动件3远离所述电阻Rg的一端与所述逻辑变换单元300相连。
此外，如图2所示，本实施例还提出一种SiC MOSFET结温监测方法，采用如上述所述的SiC MOSFET结温监测电路1（图1中，SiC MOSFET结温监测电路1为标号为1的大虚线框，标号为1的大虚线框内包括3个小虚线框，分为按照图示标号为100、200和300，且标号为100的为RC缓冲电路100，标号为200的为峰值检测单元200，标号为300的为逻辑变换单元300），具体包括如下：
S1、通过RC缓冲电路100捕获待测功率器件Q1开通时漏-源电压的变化起始时刻，输出一电压信号，并将所述电压信号的幅值缩小至所述信号调理电路的安全阈值内；
S2、所述信号调理电路对来自所述电压信号进行运算处理，并与来自所述待测功率器件Q1的PWM信号进行逻辑比较，转换出表征所述待测功率器件Q1结温所需的温度敏感电参数。
在本实施例中，通过所述信号调理电路中的峰值检测单元200将所述电压信号在开通过程中出现的负峰值保持在所述峰值检测单元200中保持电容C2的两侧。
进一步的，通过所述信号调理电路中的反相放大器VU1将所述保持电容C2两侧的负压进行反向放大，并输送至所述信号调理电路中的异或门U2，与所述PWM信号进行异或运算；再将结果输送至所述信号调理电路中的与门U3，再次与所述PWM信号进行与运算，最终输出所述待测功率器件Q1结温所需的温度敏感电参数。
在一具体示例中，结合图3-图5所示，通过RC缓冲电路100提取所述RC缓冲电路100中电阻R1的电压VR1；通过峰值检测单元200将所述电压VR1在开通过程中出现的负峰值保持在所述峰值检测单元200中保持电容C2的两侧；通过逻辑变换单元300将保持在所述保持电容C2的负压进行运算处理，并与来自待测功率器件Q1的PWM信号进行逻辑比较，最终输出表征所述待测功率器件Q1结温所需的温度敏感电参数。其中，电阻R1两端的电压VR1为RC缓冲电路100的输出电压，同时也是峰值检测单元200（即峰值检测电路）的输入电压，表示为：
，Vds（即图3中的VDS）表示待测功率器件Q1的漏源电压，d是drain terminal（漏端子），s是source terminal（源端）；t为图3所示的时间段。
另外，图4中的legend是一个用于创建图例的函数。Tj是junction temperature（结温）。Run表示运行。
更为具体的，通过所述逻辑变换单元300中的反相放大器VU1将所述负压进行反向放大，并输送至所述逻辑变换单元300中的异或门U2，与所述PWM信号进行异或运算；再将结果输送至所述逻辑变换单元300中的与门U3，再次与所述PWM信号进行与运算，最终输出所述待测功率器件Q1结温所需的温度敏感电参数。
在一具体示例中，当电阻R1电压VR1对地为负压时，二极管D1导通，电容C1电压跟随VR1变化，当电阻R1电压VR1对地为正压时，二极管D1截止，负载开关M1的栅源电压大于阈值电压，负载开关M1开通，电容C1通过负载开关M1的导通电阻放电。对应图2，电阻R1上的正电压只在关断的瞬态过程中出现，即保持电容C2会在关断时进行放电，在正常开通阶段会检测电阻R1的峰值电压并保持。保持电压为：，其中RD1为二极管D1（例如肖特基二极管）的导通电阻；VD2为二极管D2（例如稳压二极管）的钳位电压，Vds（即图3中的VDS）表示待测功率器件Q1的漏源电压，d是drain terminal（漏端子），s是sourceterminal（源端）；t为图3所示的时间段。
在本实施方式中，通过RC缓冲电路100提取RC缓冲电路100中电阻R1的电压VR1；通过峰值检测单元200将电压VR1在开通过程中出现的负峰值保持在峰值检测单元200中保持电容C2的两侧；通过逻辑变换单元300将保持在保持电容C2的负压进行运算处理，并与来自待测功率器件Q1的PWM信号进行逻辑比较，最终输出表征待测功率器件Q1结温所需的温度敏感电参数。
综上所述，本发明提出的一种SiC MOSFET结温监测电路和方法，具有如下优势：
通过RC缓冲电路和信号调理电路的设置；以及RC缓冲电路用于连接待测功率器件Q1的漏极和源极；RC缓冲电路用于捕获待测功率器件Q1开通时漏-源电压的变化起始时刻，输出一电压信号，并将电压信号的幅值缩小至信号调理电路的安全阈值内；信号调理电路与RC缓冲电路的输出端相连；信号调理电路和待测功率器件Q1的栅极相连；信号调理电路用于对来自RC缓冲电路的电压信号进行运算处理，并与来自待测功率器件Q1的PWM信号进行逻辑比较，转换出表征待测功率器件Q1结温所需的温度敏感电参数。本电路能够提高温敏电参数的敏感度，且电路结构简单，允许在线测量，不需要在正常开关周期内添加额外的测试脉冲，从而能够实现器件结温的实时在线监测，提高监测效果。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种SiC MOSFET结温监测电路，其特征在于，包括RC缓冲电路和信号调理电路；
所述RC缓冲电路用于连接待测功率器件Q1的漏极和源极；
所述RC缓冲电路用于捕获所述待测功率器件Q1开通时漏-源电压的变化起始时刻，输出一电压信号，并将所述电压信号的幅值缩小至所述信号调理电路的安全阈值内；
所述信号调理电路与所述RC缓冲电路的输出端相连；所述信号调理电路和所述待测功率器件Q1的栅极相连；
所述信号调理电路用于对来自所述RC缓冲电路的电压信号进行运算处理，并与来自所述待测功率器件Q1的PWM信号进行逻辑比较，转换出表征所述待测功率器件Q1结温所需的温度敏感电参数。
2.如权利要求1所述的SiC MOSFET结温监测电路，其特征在于，所述RC缓冲电路包括电容C1与电阻R1；所述电容C1的一端与所述电阻R1相连，另一端与所述待测功率器件Q1的漏极相连；所述电阻R1远离所述电容C1的一端连接所述待测功率器件Q1的源极；所述信号调理电路的输入端连接至所述电容C1与电阻R1之间。
3.如权利要求2所述的SiC MOSFET结温监测电路，其特征在于，所述信号调理电路包括峰值检测单元和逻辑变换单元；所述峰值检测单元的一端连接至所述电容C1与电阻R1之间；所述逻辑变换单元的输入端与所述峰值检测单元的另一端相连；所述逻辑变换单元的输入端和所述待测功率器件Q1的栅极相连。
4.如权利要求3所述的SiC MOSFET结温监测电路，其特征在于，所述峰值检测单元包括二极管D1、二极管D2、负载开关M1和保持电容C2；所述二极管D1的阴极连接至所述电容C1与电阻R1之间，阳极与所述保持电容C2的一端和所述逻辑变换单元相连；所述保持电容C2的另一端连接至所述待测功率器件Q1的源极；所述二极管D2的阴极连接至所述二极管D1的阴极；所述负载开关M1的门极连接至所述二极管D2的阳极，源极连接至所述二极管D1的阳极，漏极连接所述保持电容C2的另一端和待测功率器件Q1的源极。
5.如权利要求4所述的SiC MOSFET结温监测电路，其特征在于，所述峰值检测单元还包括反相放大器VU1；所述反相放大器VU1的反相输入端与所述保持电容C2和二极管D1的阳极相连，同相输入端接地，输出端与所述逻辑变换单元相连。
6.如权利要求5所述的SiC MOSFET结温监测电路，其特征在于，所述逻辑变换单元包括异或门U2和与门U3；所述异或门U2和与门U3的输入端均与所述待测功率器件Q1的栅极连接；所述异或门U2的输入端与所述反相放大器VU1的输出端连接；所述与门U3的输出端用于信号输出。
7.如权利要求3所述的SiC MOSFET结温监测电路，其特征在于，所述待测功率器件Q1的栅极连接有电阻Rg；所述电阻Rg远离所述待测功率器件Q1的一端连接有驱动件；所述驱动件远离所述电阻Rg的一端与所述逻辑变换单元相连。
8.一种SiC MOSFET结温监测方法，采用如权利要求1-7中任一项所述的SiC MOSFET结温监测电路，其特征在于，具体包括如下：
通过RC缓冲电路捕获待测功率器件Q1开通时漏-源电压的变化起始时刻，输出一电压信号，并将所述电压信号的幅值缩小至所述信号调理电路的安全阈值内；
所述信号调理电路对来自所述电压信号进行运算处理，并与来自所述待测功率器件Q1的PWM信号进行逻辑比较，转换出表征所述待测功率器件Q1结温所需的温度敏感电参数。
9.如权利要求8所述的SiC MOSFET结温监测方法，其特征在于，通过所述信号调理电路中的峰值检测单元将所述电压信号在开通过程中出现的负峰值保持在所述峰值检测单元中保持电容C2的两侧。
10.如权利要求9所述的SiC MOSFET结温监测方法，其特征在于，通过所述信号调理电路中的反相放大器VU1将所述保持电容C2两侧的负压进行反向放大，并输送至所述信号调理电路中的异或门U2，与所述PWM信号进行异或运算；再将结果输送至所述信号调理电路中的与门U3，再次与所述PWM信号进行与运算，最终输出所述待测功率器件Q1结温所需的温度敏感电参数。
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