[发明专利]采用增强型NMOS电压钳位电路的功率半导体导通压降测量电路

说明书

本发明公开了一种采用增强型NMOS电压钳位电路的功率半导体导通压降测量电路，包括计算机、电压钳位电路及采样转换电路，被测器件的输出端与电压钳位电路的输入端相连接，电压钳位电路的输出端与采样转换电路的输入端相连接，采样转换电路的输出端及计算机相连接，该电路具有安全性高、精确性高、适用性广、快速性强以及成本低的特点。

技术领域

本发明涉及一种功率半导体导通压降测量电路，具体涉及一种采用增强型NMOS电压钳位电路的功率半导体导通压降测量电路。

背景技术

目前，电力电子系统在交通运输、可再生能源系统和工业自动化等广泛的工业应用中占有重要地位。作为核心，功率器件在电力电子系统的鲁棒性和可靠性方面扮演关键的角色。然而，在现场应用中，由于受到周期性电、热和机械应力变化的影响，功率器件的性能将逐渐发生退化，例如键合线疲劳、铝电极重塑和焊料空洞。根据两次工业界对电力电子系统故障原因的调查显示，功率器件分别占总故障分布的21％和34％，这表明功率器件是系统中可靠性最薄弱的部件之一。因此，有必要在关键应用中对功率模块进行在线监测，以便提前识别异常和退化信号，防止意外的灾难性故障发生。

当功率模块的退化积累到一定程度时，功率器件由于其导通电阻，接触电阻，PN结压降和栅极转移特性将发生变化，进而导致其在一定工况下的导通压降将发生变化。这些变化被普遍认为是功率器件失效的有效前兆指标，而测量功率半导体管导通压降成为了监测器件工作状态和健康状态的关键措施。在功率半导体器件的实际工作中，被测器件DUT(DUT)压降在导通态时接近0，且测量需要精确到20毫伏左右，而在关断态，管压降可能高达数千伏特。对于一般的非隔离测量电路，这样的高压将致使其损坏，甚至引发更加严重的安全问题。一些隔离测量电路可以安全测量高达数千伏的电压，但其精度不足使导通态时的测量误差控制在20mV以下。还有一些设计没有考虑实际工况中的干扰和感应电压，甚至可能会由于测量端口的负压引起测量电路损坏。本发明包含一套完整的电压钳位电路和另一套完整的测量电路。为了满足功率器件的在线监测的性能要求，本发明专利可以用于测量功率半导体器件的正向或反向的导通压降并满足老化检测，过流检测等多种应用场合的要求。

近年来，功率模块的导通压降测量技术取得了长足的进步。国内外学者提出了一系列电压钳位电路和测量电路，然而，有五个主要缺点限制了它们在实际工程中的应用，具体如下：

(1)安全性：安全问题主要存在负管压降和电压钳位电路振荡两个难点。除却由于测量电路不做钳位或隔离引起的安全问题，实际上功率器件在开通或关断动作时在主功率回路上由很大的电流变化率，器件两端有很大的电压变化率，其中，电流变化率会引起测量电路上的感应，甚至使得电压钳位电路的输出为负值。目前多数电压钳位电路的没有考虑防止管压降为负时测量端向功率回路注入电流，这实际上可能使测量电路的保护电路过流损坏，从而损害整体可靠性。另一方面，电压钳位电路将不可避免地引入从被测器件DUTDUT到电压钳位电路的寄生电感和电压钳位电路本身的寄生电容，现有技术中这两者的值往往较大，可能引发测量端的振荡，这也将危害测量电路安全性。

(2)精确性：功率半导体器件的管压降测量数据若要用于健康监测，则其必须十分精确，后续还必须综合考虑温度，电流等环境参数和电气参数的影响。现有电路大多数采用二极管作为电压钳位电路的一部分，实际上在测量电路前端中引入了二极管的管压降。一般的二极管引入的压降误差约700mV，即使通过的电流下降到微安级，其误差也接近400mV，远高于健康监测所要求的误差限。与此同时，二极管的管压降同样对电流，环境温度等变量敏感，尤其是在微安级别的电流通过时，环境温度等的波动可引起上百毫伏的测量结果漂移，不能得到精确结果。

(3)广泛适用性：另一些电压钳位电路通过耗尽型MOSFET进行钳位,这类电路的特点时功耗较大，且该类电路耐压取决于耗尽型MOSFET的耐压，难以做到高耐压的钳位。目前最先进的耗尽型MOSFET电压钳位电路最高可以持续耐受400V电压。实际需求已经出现需要5kV耐压的应用场合，而这类电压钳位电路及其改进不能满足要求。