基于温敏电参数的碳化硅MOSFET结温测量方法综述

结温测量是功率半导体器件热表征、可靠性研究、状态监测以及健康管理的重要基础,其中基于温敏电参数的方法被寄予厚望。而碳化硅MOSFET作为新一代宽禁带半导体器件,温敏电参数法在其结温测量中的应用也面临着新的挑战。该文简述温敏电参数法的发展,梳理碳化硅MOSFET温敏电参数法的研究现状,重点关注温度特性及具体实现方法,从线性度、灵敏度、耦合量、分散性、稳健性、自热程度和在线测量难度7个维度进行对比。对于目前存在的研究难点,从碳化硅材料特性和碳化硅MOSFET可靠性两方面进行讨论解释。长远来看,灵敏度低及封装老化可能是未来主要的难点所在。

一种基于关断电压的IGBT模块结温监测方法

实现准确的结温监测对增强绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块的可靠性、延长器件寿命至关重要。文章提出了一种基于关断电压的IGBT模块结温监测方法,具有不受负载电流干扰的特性。该方法首先验证了关断电压作为温敏电参数的合理性;其次,采用深度神经网络(DNN),排除关断电压对负载电流的依赖,达到不同工况下保持准确结温预测的目的;最后,通过单相脉宽调制(PWM)进行试验验证。结果显示,该结温监测方法误差在±5℃的范围内,这表明利用DNN优化结温监测是可行的。

计及热电耦合效应的SiC MOSFET阈值电压精确监测方法

在研究SiC MOSFET的阈值电压、体二极管电压、漏-源极通态电阻温度依赖性的基础上,分析偏压温度不稳定性(BTI)引起的V_(TH)的漂移规律,并探究其对温敏电参数(TSEPs)的影响规律。另外,在充分考虑温度和BTI对V_(TH)共同作用的影响下,提出在小电流注入时使用体效应下的体二极管电压监测SiC MOSFET阈值电压的方法。该方法可在不同的结温(T_(j))下监测阈值电压,为校正其他TSEPs测量结温的准确性提供帮助。理论和实验结果证明了该方法的可行性。

基于电化学阻抗谱的锂离子电池内部温度监测方法综述

温度是锂离子电池状态监测的关键监测量,在电池的寿命预测、热失控预警和热管理决策等方面有着十分重要的作用。为此,从锂离子电池的内部温度监测(internal temperature monitoring,ITM)方法、温敏电参数和基于电化学阻抗谱(electrochemical impedance spectroscopy,EIS)的在线ITM方法3个方面对相关研究进行整理和分析。首先,介绍3种锂离子电池ITM方法,即温度传感器、电池热模型和EIS;然后,总结现有EIS温敏电参数的5种基本特性,并从7个维度对基于EIS的在线ITM方法进行分析。最后,综合现有研究,指出基于EIS的在线ITM方法面临的挑战和未来发展趋势。

基于开通密勒平台电压的IGBT模块结温估计研究

已有研究表明,绝缘栅双极性晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)的可靠性与结温波动密切相关,如能准确地实时测量IGBT的结温,对可靠性的研究具有重要意义。依据温敏电参数法,该文提出一种基于栅极电压开通密勒平台的结温估计方法。首先分析IGBT栅极寄生电容的物理特性与温度的关系,得到栅极开通过程中密勒平台电压与结温线性相关;然后提出采用恒流驱动电路延长栅极电压开通过程中密勒平台持续时间,使其温敏感度与温线性度更高,可拟合出密勒平台值和结温间的线性关系;最后采用该方法对IGBT模块的结温估算进行实验验证,并与采用红外测温仪实时测量的结温进行对比,验证了所提方法的可行性和准确性。

基于组合短路电流的不受老化影响的IGBT模块结温测量方法

绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)的结温精确在线测量对于功率变流器的热管理及可靠性研究具有重要意义。然而目前绝大多数温敏电参数都受到器件老化的影响,无法准确地描述老化进程中器件的结温信息。由于短路电流作为温敏电参数时,其测量结果受器件键合线老化的影响。为此,文中提出一种基于组合短路电流的IGBT模块结温测量方法,该方法可以消除键合线老化的影响。通过理论分析和模拟剪线实验分析键合线老化对所提结温测量方法的影响,并搭建实验平台,验证所提方法在运行变流器中在线测量结温的可行性。理论分析和实验结果表明,所提方法不仅能消除键合线老化对结温测量的影响,还具有线性度好、灵敏度较好及在线测量的优点。

SiC MOSFET的温度特性及结温评估研究进展

与Si器件相比,SiC器件具有更加优异的电气性能,新特性给其结温评估带来了新挑战,许多适用于Si器件的结温评估方法可能不再适用于SiC器件。首先对SiC金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的温度特性进行了分析,阐述了本征载流子浓度、载流子迁移率等参数受温度的影响机理,分析了器件阻断特性、输出特性、转移特性等参量,以便找到能够表征结温特性的电气参量;然后研究分析了功率器件结温测量的各类方法,并重点阐述了温敏电参数(TSEP)法在SiC MOSFET结温评估领域的应用前景,从线性度、灵敏度等6个方面对比分析了各方法的优缺点,并指出阈值电压和体二极管压降作为TSEP具有显著优势;最后分析了TSEP法在目前工程应用中面临的挑战,并对未来的研究工作进行了展望。

碳化硅MOSFET基于栅压延时关断方法的结温监测技术研究

准确监测功率器件结温一直是器件厂商及应用端非常重要的一项工作。主流的温敏电参数法由于响应速度快、测量准确,被广泛地应用于各个领域。目前在硅基器件应用上已相对成熟,然而由于碳化硅器件的高开关特性及栅极氧化层缺陷,采用电参数法会产生更强烈的寄生振荡与高频EMI噪声,这对于测量器件初始温度会带来很大的误差,因此文章提出一种栅压延时关断的改进电参数法测试方案,抑制器件关断阶段的VDS振荡,通过仿真及电路应用验证,以及热阻测试对比分析,验证了这种栅压延时方案能够有效抑制波形振荡,达到准确测量器件结温的目的。

基于MEA-BP算法的IGBT结温预测模型

针对IGBT芯片被封装在模块内部,芯片结温无法直接测量的问题,提出了基于思维进化算法(MEA)优化的反向传播(BP)(MEA-BP)神经网络算法的IGBT结温预测算法模型。首先,利用温敏电参数(TSEP)法搭建IGBT模块饱和压降实验平台;然后,从实验数据中提取338组饱和压降与集电极电流数据作为TSEP,表征其与IGBT模块结温的关系;最后,利用MEA-BP神经网络算法将提取出的电气参数建立结温预测模型,对结温进行预测。实验结果表明,MEA-BP神经网络算法的结温预测值平均绝对百分比误差在集电极电流小于临界电流时为0.114,在大于临界电流时为0.062,比遗传算法(GA)优化的BP(GA-BP)神经网络算法以及经典BP神经网络算法能更准确预测IGBT结温。

恒流驱动下基于V_(eE_max)的IGBT模块解耦老化影响的结温测量方法

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的结温在线测量对于电力电子装置的安全可靠运行、延长使用寿命和热管理等都具有重要意义。然而,目前大多数温敏电参数均受IGBT模块疲劳老化的影响。为此,该文提出一种恒流驱动下基于感应电压峰值V_(eE_max)的IGBT模块结温在线测量方法,该方法能够解耦键合线老化对温敏电参数的影响。基于双脉冲实验平台分析V_(eE_max)的温线性度和温敏感度,并通过模拟键合线老化实验验证所提方法的老化解耦性。最后,通过Buck变换器验证该方法在运行变流器中在线结温测量的可行性。

一种改进的IGBT模块结温提取算法及实验研究

IGBT模块目前被广泛应用于电力系统、牵引传动和电动汽车等各个领域,其安全可靠运行对电力电子系统具有重要意义。研究表明,器件的结温与其健康状况有密切的关系,如何实时提取IGBT的结温是在线监测亟需解决的重要问题。在研究IGBT关断期间电流变化率di/dt与结温关系的基础上,提出一种改进的结温提取模型和算法,该方法具有模型简单和准确的特点,并给出了详细的理论推导分析和简化计算模型。最后,通过设计的改进双脉冲实验,验证了模型和算法的正确性与实用性。

UPFC功率模块状态检测和评估方法

设计统一潮流控制器(UPFC)功率模块测试平台,在不同绝缘栅双极型晶体管(IGBT)结温条件下通过实验对功率模块关断感应电压VeE进行采样,再从感应电压中提取关断延迟时间toff和最大关断感应电压负峰值VeE_NP。实验结果表明:当集电极-发射极电压VCE与集电极电流IC确定不变时,随着IGBT功率模块结温的增大,toff变大,最大关断感应电压负峰值VeE_NP的绝对值逐渐变小。最后得出基于最大关断感应电压负峰值VeE_NP和关断延迟时间toff的UPFC功率模块状态检测与评估方法。