[发明专利]碳化硅MOSFET结温在线测量方法、系统及其应用

说明书

碳化硅MOSFET结温在线测量方法、系统及其应用，所述方法包括构建碳化硅MOSFET器件温敏电参数值与结温的线性解析模型；获得改变碳化硅MOSFET器件外部电路寄生参数后，室温下温敏电参数值；依不同寄生参数条件常温下温敏电参数值计算校准系数；依校准系数得到外部电路寄生参数改变，修正后的温敏电参数值与结温的线性解析模型；根据修正后温敏电参数值与结温的线性解析模型以及待测工况下温敏电参数的值，求取改变器件运行平台寄生参数后在线运行的结温。本发明能够间接测量碳化硅MOSFET在不同寄生参数条件下运行的结温，为碳化硅在实际应用中可靠性研究，状态监测以及健康管理提供依据。

技术领域

本发明涉及一种测量方法及系统，尤其是涉及一种消除寄生参数影响的碳化硅MOSFET在线结温测量方法及系统。

背景技术

碳化硅金属-氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor,MOSFET)作为新一代宽带隙半导体器件，具有高电压、高损耗等优点，因此碳化硅器件在高功率密度电力电子系统中具有显著的应用前景。随着碳化硅功率器件的成熟，在实际应用中的可靠性问题日益突出。在电力电子系统工作条件下，器件的绝对结温和结温波动是影响器件可靠性的两个主要因素，所以实时监测电力设备在实际工况下的结温是电力设备健康诊断和寿命预测的重要依据。

目前碳化硅MOSFET的结温测量方法主要可以分为物理接触法、光学方法、热网络法和温敏电参数(temperature sensitive electrical parameters,TSEP)法四大类。其中物理接触法的热感元件通常采用具有负温度系数的热敏电阻放置在模块基板上，以间接测量芯片的温度。这种方法由于简单易实现成本低而被器件生产厂商所广泛采用，然而该方法仅能监测模块基板温度，检测误差大，响应速度慢，无法实现结温快速检测。光学方法通常使用红外成像仪等仪器获得器件表面整体的温度分布情况。但是这种方法需要对器件表面进行覆黑处理属于破坏性测量，并且价格昂贵，不适合广泛采用。热网络模型法需要器件的实时功耗和热网络模型。热网络模型与器件的封装结构和散热条件密切相关，热网络模型精确度越高，计算和求解过程就越复杂，响应时间就越长。温敏电参数法是通过测量随温度而变化的电气参数来表征当前器件温度，利用器件自身作为温度传感器件，将芯片温度信息间接地反映在部分电气参数的数值变化上。相比之下温敏电参数法只需通过外部电气参数测量，且无需改变原有封装结构，并可具备μs级别的快速响应能力，是目前非常有潜力的一种结温在线测量方法。

目前利用温敏电参数实现碳化硅MOSFET结温测量相关研究中，大量电气参数具有温敏特性。其中：

(1)器件静态温敏电参数

如阈值电压，转移曲线，小电流下的导通电阻以及输出曲线等参数的测量条件，不符合器件在线运行工况，难以实现在线结温测量。

如栅极内阻的测量方法虽然可以适用于开关工况，但是其校准曲线的线性度和灵敏度在很大程度取决于栅极金属化材料、栅极布局和制造工艺，适用范围有限。

(2)器件开关过程中的很多参数也随温度变化而改变，被称作动态温敏电参数(dynamic temperature sensitive electrical parameters,DTSEP)。

如栅极峰值电流、栅极特征电流等反映栅极内阻温敏特性的相关参数，适用范围有限。

如开关瞬态漏源极电流变化率、开关延时等参数具有广阔的适用范围，但是碳化硅MOSFET快速开关过程使得其对外部电路的寄生参数非常敏感。这就使得应用开关瞬态漏源极电流变化率、开关延时等参数应用时，校准过程的电路设置必须与变换器在线应用完全一致。当器件应用外部电路寄生参数经常变化时，将需要复杂的校准过程。当校准过程电路设置无法与变换器在线应用完全一致时，将导致不可避免的结温估算误差。