CN220357189U - 一种SiC MOSFET器件源漏电压在线监测电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种SiC MOSFET器件源漏电压在线监测电路，包括两耗尽型MOSFET管M1和M2、两二极管D1和D2、两直流电源BT1和BT2、一电压表，其中，MOSFET管M1的源极通过电阻与MOSFET管M2的源极相连，MOSFET管M2的栅极通过电阻与MOSFET管M1的栅极相连，MOSFET管M2的漏极分别与二极管D1的负极、二极管D2的正极、电压表的一端相连，二极管D1的正极与直流电源BT1的负极相连，二极管D2的负极与直流电源BT2的正极相连。本实用新型在不影响SiC MOSFET正常工作的情况能够实时监测器件的源漏电压，进而实现对器件健康状态的区分。
Description
技术领域
本实用新型属于宽禁带功率半导体技术领域，更具体地，涉及一种SiC MOSFET器件源漏电压在线监测电路。
背景技术
作为一种宽禁带功率半导体，SiC Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor(MOSFET)在开关速度、散热、耐压等方面体现了诸多优势。但目前由于SiC材料不成熟，导致器件制作过程中芯片和封装中会存在原始缺陷，降低器件可靠性，运行中器件受到长期电热应力，内部原始缺陷扩展导致器件电学性能下降，导致器件发生老化。因此，有必要研究一种SiC MOSFET器件健康状态在线监测电路。
实用新型内容
针对现有技术的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种SiC MOSFET器件源漏电压在线监测电路，在不影响SiC MOSFET正常工作的情况能够实时监测器件的源漏电压，进而实现对器件健康状态的区分。
为实现上述目的，第一方面，本实用新型提供了一种SiC MOSFET器件源漏电压在线监测电路，所述SiC MOSFET器件应用于半桥逆变电路中，包括两个耗尽型MOSFET管M1和M2、两个二极管D1和D2、直流电源BT1和BT2、和一电压表V；
其中，所述耗尽型MOSFET管M1的漏极与半桥逆变电路中待测SiC MOSFET器件的漏极相连，耗尽型MOSFET管M1的源极通过电阻R1、电阻R4与耗尽型MOSFET管M2的源极相连，耗尽型MOSFET管M2的栅极通过电阻R3、电阻R2与耗尽型MOSFET管M1的栅极相连；耗尽型MOSFET管M2的漏极分别与二极管D1的负极、二极管D2的正极、电压表V的一端相连，二极管D1的正极与直流电源BT1的负极相连，二极管D2的负极与直流电源BT2的正极相连，直流电源BT1的正极、直流电源BT2的负极和电压表V的另一端共接于地；所述电压表V用于实时检测待测SiCMOSFET器件在导通和反向导通状态下的源漏电压。
在其中一个实施例中，两个直流电源BT1和BT2的电压Vz大于待测SiC MOSFET器件源漏电压的最大值。
第二方面，本实用新型提供了一种SiC MOSFET器件健康状态在线监测系统，包括漏源电流监测电路、控制电路和上述所述的SiC MOSFET器件源漏电压在线监测电路；其中，所述漏源电流监测电路用于实时检测半桥逆变电路中待测SiC MOSFET器件在导通和反向导通状态下的源漏电流；所述控制电路用于根据待测SiC MOSFET器件在导通和反向导通状态下的源漏电流和源漏电压计算待测SiC MOSFET器件在导通和反向导通状态下的导通电阻变化量，并根据SiC MOSFET器件芯片老化和封装老化的老化机理判断待测SiC MOSFET器件的健康状态。
在其中一个实施例中，所述SiC MOSFET器件芯片老化和封装老化的老化机理为：芯片老化时，SiC MOSFET器件在导通和反向导通情况下的导通电阻变化量不等；未老化和芯片老化时，SiC MOSFET器件在反向导通情况下的导通电阻变化量相等；封装老化时，SiCMOSFET器件在导通和反向导通情况下的导通电阻变化量相等。
在其中一个实施例中，所述待测SiC MOSFET器件的健康状态包括未老化、芯片老化、封装老化及芯片和封装均老化四种健康状态。
在其中一个实施例中，所述漏源电流监测电路采用电流互感器，所述电流互感器的一端与待测SiC MOSFET器件的源极相连，所述电流互感器的另一端接地。
在其中一个实施例中，所述控制电路采用单片机控制芯片。
本实用新型提供的SiC MOSFET器件源漏电压在线监测电路和SiC MOSFET器件健康状态在线监测系统，采用耗尽型MOSFET管和直流电源，可在不影响SiC MOSFET正常工作的情况能够实时监测器件的源漏电压，进而实现对器件健康状态的区分，可有效减小功率变换系统宕机风险，帮助制定合理运维策略，减小系统运维成本。
附图说明
图1是本实用新型提供的SiC MOSFET器件导通电阻测试电路的电路原理图；
图2是本实用新型提供的SiC MOSFET器件健康状态在线监测流程图；
图3是本实用新型提供的半桥逆变电路的电路原理图；
图4是本实用新型一实施例提供的SiC MOSFET器件源漏电压在线监测电路的电路原理图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
需要说明的是，现有关于SiC MOSFET器件芯片老化和封装老化的老化机理如表1所示，表1中，Rds-packaging为封装老化时，器件导通电阻的变化量；Rds-chip为器件芯片老化时，器件导通电阻的变化量。
表1不同老化状态、运行状态下的导通电阻变化量
| 老化情况 | 导通状态ΔRds1 | 反向导通状态ΔRds1 |
| 正常 | 0 | 0 |
| 封装老化 | Rds-packaging | Rds-packaging |
| 芯片老化 | Rds-chip | 0 |
| 封装+芯片老化 | Rds-packaging+Rds-chip | Rds-packaging |
基于此，本实用新型通过对SiC MOSFET进行高温栅偏实验模拟芯片老化，设定为栅偏温度为175℃，老化时间定为2h，电压定为35V；通过源极串联电阻模拟封装老化，串联电阻为5～10mΩ。测量导通电阻的示意图如图1所示，通过加入对应的栅源电压控制SiCMOSFET导通或反向导通(反向体二极管导通)。在测量过程中，由单片机控制给予SiCMOSFET器件的驱动板脉冲信号，避免持续通入电流造成器件升温、性质发生变化。同时引入辅助开关，消除脉冲信号变化时器件暂态的影响。调节示波器触发电平，通过对相同器件芯片老化前后的Rds进行测量，得出以下数据。
表2老化前后导通和反向导通情况下导通电阻变化量对比
| 老化前 | 老化后 | 变化 | |
| 导通 | 102.40mΩ | 109.59mΩ | 7.19mΩ |
| 反向导通 | 209.06mΩ | 210.98mΩ | 1.93mΩ |
以上数据表明，芯片老化器件在导通和反向导通情况下的Rds变化量不等，与封装老化器件在导通和反向导通情况下的Rds变化量相等不同，可以区分两种老化。因此，基于上述机理以及本实用新型提供的老化试验验证可知，根据封装和芯片老化机理，分别在线测量SiC MOSFET器件在导通和反向导通状态下的导通电阻变化量ΔRds，可在线监测SiCMOSFET器件的健康状态，进一步区分封装老化和芯片老化，确定SiC MOSFET器件健康模式，其具体健康状态在线检测流程可参见图2，器件健康状态包括未老化、芯片老化、封装老化及芯片和封装均老化四种健康状态。
由于SiC MOSFET器件在导通和反向导通状态下的导通电阻变化量ΔRds可由SiCMOSFET器件源漏电压和源漏电流确定，而SiC MOSFET器件的源漏电流可直接通过电流互感器测得，所以本实用新型的重点在于提供一种SiC MOSFET器件源漏电压在线监测电路。
图4是本实用新型一实施例提供的SiC MOSFET器件源漏电压在线监测电路的电路原理图，如图4所示，本实施例提供的在线监测电路主要用于监测应用于半桥逆变电路中的SiC MOSFET器件(如图3所示)源漏电压，该源漏电压在线监测电路主要两个耗尽型MOSFET管M1和M2、两个二极管D1和D2、两个直流电源BT1和BT2、和一电压表V。
其中，耗尽型MOSFET管M1的漏极与半桥逆变电路中待测SiC MOSFET器件的漏极相连，耗尽型MOSFET管M1的源极通过电阻R1、电阻R4与耗尽型MOSFET管M2的源极相连，耗尽型MOSFET管M2的栅极通过电阻R3、电阻R2与耗尽型MOSFET管M1的栅极相连；耗尽型MOSFET管M2的漏极分别与二极管D1的负极、二极管D2的正极、电压表V的一端相连，二极管D1的正极与直流电源BT1的负极相连，二极管D2的负极与直流电源BT2的正极相连，直流电源BT1的正极、直流电源BT2的负极和电压表V的另一端共接于地；电压表V用于实时检测待测SiC MOSFET器件在导通和反向导通状态下的源漏电压。
在本实施例中，两个直流电源BT1和BT2的电压Vz需大于待测SiC MOSFET器件源漏电压的最大值。在图3的半桥逆变电路中，待测器件DUT的电压呈周期性变化，在一个周期中DUT存在导通和反向导通状态，监测电路能捕捉其在导通和反向导通状态时的电压。
本实施例提供的漏源电压在线监测电路的测量原理为：对图3中的电压监测电路，当待测SiC MOSFET器件DUT的漏源电压处在-Vz和Vz之间时，二极管D1、D2被阻断，电阻R1、R4两端电压为零，耗尽型MOSFET管M1和M2处于导通状态，则输出电压等于输入电压；当待测SiCMOSFET器件DUT的漏源电压高于Vz时，电阻R2两端的负压降使耗尽型MOSFET管M1呈现高阻抗，从而仅允许微小的电流流通；耗尽型MOSFET管M2的体二极管和二极管D2导通，输出电压为Vz+VD2，VD2为此时二极管D2的电压；当待测SiC MOSFET器件DUT的漏源电压低于-Vz时，耗尽型MOSFET管M1的体二极管和二极管D1导通，输出电压为-Vz-VD1，VD1为此时二极管D1的电压。
该电压监测电路能够准确传递-Vz到Vz之间的电压，同时阻隔高于Vz，低于-Vz的电压，可以实现对待测SiC MOSFET器件DUT两端电压的在线监测，且检测电路拓扑结构简单，便于理解。
另外，本实用新型还提供了一种SiC MOSFET器件健康状态在线监测系统，包括漏源电流监测电路、控制电路和上述SiC MOSFET器件源漏电压在线监测电路。
其中，漏源电流监测电路，可采用电流互感器，电流互感器的一端与待测SiCMOSFET器件的源极相连，另一端接地，用于实时检测半桥逆变电路中待测SiC MOSFET器件在导通和反向导通状态下的源漏电流。
控制电路，可采用单片机控制芯片，用于根据待测SiC MOSFET器件在导通和反向导通状态下的源漏电流和源漏电压计算待测SiC MOSFET器件在导通和反向导通状态下的导通电阻变化量，并根据现有SiC MOSFET器件芯片老化和封装老化的老化机理判断待测SiC MOSFET器件的健康状态。
具体地，本实施例提供的控制电路可通过获取的电压电流值得出该时刻的导通电阻Rds，经过长期监测，可以通过待测器件未老化时的导通电阻和工作一段时间后的导通电阻进行比较，得出导通电阻的变化值ΔRds；然后结合上述现有芯片和封装老化机理(如表1所示)以及本实用新型提供的老化试验验证(如表2所示)，按照图2给出的健康状态在线监测方法即可实现器件健康情况实时监测。
本实施例提供的SiC MOSFET器件源漏电压在线监测电路和SiC MOSFET器件健康状态在线监测系统，采用耗尽型MOSFET管和直流电源，可在不影响SiC MOSFET正常工作的情况能够实时监测器件的源漏电压，进而实现对器件健康状态的区分，可有效减小功率变换系统宕机风险，帮助制定合理运维策略，减小系统运维成本。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种SiC MOSFET器件源漏电压在线监测电路，所述SiC MOSFET器件应用于半桥逆变电路中，其特征在于，包括两个耗尽型MOSFET管M1和M2、两个二极管D1和D2、直流电源BT1和BT2、和一电压表V；
其中，所述耗尽型MOSFET管M1的漏极与半桥逆变电路中待测SiC MOSFET器件的漏极相连，耗尽型MOSFET管M1的源极通过电阻R1、电阻R4与耗尽型MOSFET管M2的源极相连，耗尽型MOSFET管M2的栅极通过电阻R3、电阻R2与耗尽型MOSFET管M1的栅极相连；耗尽型MOSFET管M2的漏极分别与二极管D1的负极、二极管D2的正极、电压表V的一端相连，二极管D1的正极与直流电源BT1的负极相连，二极管D2的负极与直流电源BT2的正极相连，直流电源BT1的正极、直流电源BT2的负极和电压表V的另一端共接于地；所述电压表V用于实时检测待测SiCMOSFET器件在导通和反向导通状态下的源漏电压。
2.根据权利要求1 所述的SiC MOSFET器件源漏电压在线监测电路，其特征在于，两个直流电源BT1和BT2的电压Vz大于待测SiC MOSFET器件源漏电压的最大值。
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