[发明专利]碳化硅功率器件的结温和电流同步检测系统及检测方法

说明书

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。

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。