本發(fā)明屬于但不限于電力電子器件狀態(tài)監(jiān)測(cè)，尤其涉及一種基于開(kāi)通延遲積分器的sic?mosfet結(jié)溫在線監(jiān)測(cè)電路和方法。

背景技術(shù)：

1、與si?igbt相比，碳化硅-金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)晶體管(sic?mosfet)具有更低的導(dǎo)通電阻、更高的開(kāi)關(guān)速度、更高的擊穿電場(chǎng)和更高的耐高溫能力，在提高電力電子變換器性能方面有著非常明顯的優(yōu)勢(shì)。電力電子變換器的可靠運(yùn)行由功率器件直接決定，由于功率半導(dǎo)體模塊中材料的熱膨脹系數(shù)不同，溫度的變化會(huì)引起機(jī)械應(yīng)力，反復(fù)的熱循環(huán)最終會(huì)導(dǎo)致芯片焊點(diǎn)出現(xiàn)裂縫和鍵合線脫落等問(wèn)題，危害電力電子設(shè)備和sic?mosfet的正常運(yùn)行。sic?mosfet的芯片面積小、電流密度高，散熱能力較差，實(shí)際運(yùn)行中更容易產(chǎn)生結(jié)溫過(guò)高和波動(dòng)較大等問(wèn)題。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，超過(guò)50％以上的設(shè)備和器件損壞是由器件結(jié)溫過(guò)熱和結(jié)溫波動(dòng)引起的。因此，在線測(cè)量或估算sic?mosfet的芯片結(jié)溫對(duì)設(shè)備和器件剩余使用壽命的預(yù)測(cè)至關(guān)重要。

2、現(xiàn)有技術(shù)主要通過(guò)sic?mosfet的熱敏電參數(shù)來(lái)在線測(cè)量或估算芯片結(jié)溫。常見(jiàn)的熱敏電參數(shù)主要包括sic?mosfet的導(dǎo)通壓降、閾值電壓、開(kāi)通延遲和關(guān)斷延遲等?；趯?dǎo)通壓降的結(jié)溫在線監(jiān)測(cè)方法在si?igbt中的研究已較為成熟，因此導(dǎo)通壓降也常被用于對(duì)sicmosfet進(jìn)行結(jié)溫在線監(jiān)測(cè)。但該方法用于sic?mosfet仍存在非常明顯的局限性。首先，目前sic?mosfet的制造工藝尚不成熟，其器件老化現(xiàn)象較為明顯，導(dǎo)致其導(dǎo)通電阻發(fā)生漂移，從而影響導(dǎo)通壓降的測(cè)量。導(dǎo)通壓降測(cè)量還受實(shí)際運(yùn)行工況變化的影響，當(dāng)負(fù)載電流較小時(shí)，其測(cè)量精度極低甚至無(wú)法用于估算芯片結(jié)溫，并且由于實(shí)際運(yùn)行需要使用多個(gè)芯片并聯(lián)封裝為功率半導(dǎo)體模塊以增大功率，使用導(dǎo)通壓降測(cè)量計(jì)算所得的結(jié)溫不具有明確的物理含義，即無(wú)法確定得到的結(jié)溫是多芯片的平均結(jié)溫，還是最高或者最低結(jié)溫。除此之外，芯片焊點(diǎn)裂縫和鍵合線脫落等封裝老化也會(huì)對(duì)導(dǎo)通壓降的測(cè)量造成影響，在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中難以區(qū)分器件老化和封裝老化的影響。雖然基于閾值電壓、開(kāi)通延遲和關(guān)斷延遲的結(jié)溫監(jiān)測(cè)方法不受封裝老化的影響，但由于sic?mosfet開(kāi)關(guān)速度較快，現(xiàn)有技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)對(duì)上述參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量，即使能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量，由于上述參數(shù)隨結(jié)溫變化程度低，其結(jié)溫測(cè)量精度也無(wú)法滿足需求。

3、基于上述分析，亟需一種sic?mosfet結(jié)溫在線監(jiān)測(cè)電路和方法，以對(duì)電力電子設(shè)備和器件狀態(tài)的進(jìn)行在線評(píng)估。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種基于開(kāi)通延遲積分器的sic?mosfet結(jié)溫在線監(jiān)測(cè)電路和方法，以解決現(xiàn)有結(jié)溫在線監(jiān)測(cè)技術(shù)測(cè)量精度不高、測(cè)量精度易受負(fù)載大小變化和封裝老化影響等問(wèn)題。

2、本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種基于開(kāi)通延遲積分器的sic?mosfet結(jié)溫在線監(jiān)測(cè)電路，該電路包括：柵極電壓檢測(cè)電路、功率源極電壓檢測(cè)電路、比較器電路、觸發(fā)器電路、隔離電路和高精度積分保持電路；

3、所述柵極電壓檢測(cè)電路通過(guò)電壓跟隨器1實(shí)時(shí)測(cè)量縮放后的sic?mosfet器件柵極電壓vgs，將柵極電壓濾波后傳輸?shù)奖容^器電路；所述功率源極電壓檢測(cè)電路通過(guò)電壓跟隨器2實(shí)時(shí)測(cè)量縮放后的sic?mosfet器件功率源極電壓vl，將功率源極電壓濾波并由反相放大器進(jìn)行反比例放大，然后傳輸?shù)奖容^器電路；所述比較器電路將柵極電壓和功率源極電壓分別與比較器1的參考電壓vref1和比較器2的參考電壓vref2進(jìn)行比較，分別輸出兩個(gè)脈沖比較信號(hào)v1和v2，然后將兩個(gè)脈沖比較輸出信號(hào)傳輸?shù)接|發(fā)器電路；所述觸發(fā)器電路接收到脈沖比較輸出信號(hào)，產(chǎn)生一個(gè)與sic?mosfet開(kāi)通延遲大小有關(guān)的開(kāi)通脈沖信號(hào)v3，開(kāi)通脈沖信號(hào)v3的寬度為ton,dyn，這個(gè)寬度可以通過(guò)調(diào)節(jié)柵極電壓檢測(cè)電路濾波電容的大小來(lái)調(diào)整；所述隔離電路負(fù)責(zé)接收觸發(fā)器電路發(fā)出的脈沖信號(hào)，并將開(kāi)通脈沖信號(hào)傳輸?shù)礁呔确e分保持電路。

4、進(jìn)一步，所述高精度積分保持電路由電阻r1和r2、電容c1、二極管d1和開(kāi)關(guān)管s1組成，負(fù)責(zé)將脈沖寬度為ton,dyn的開(kāi)通脈沖信號(hào)v3在時(shí)間尺度上進(jìn)行積分，從而實(shí)現(xiàn)開(kāi)通脈沖信號(hào)v3到積分電壓信號(hào)v4的轉(zhuǎn)化，通過(guò)測(cè)量該積分電壓信號(hào)v4即可實(shí)現(xiàn)對(duì)sic?mosfet結(jié)溫的在線測(cè)量。

5、進(jìn)一步，所述比較器1的參考電壓vref1通常在負(fù)幾百mv到0v范圍內(nèi)取值，所述比較器2的參考電壓vref2通常0v到幾百mv范圍內(nèi)取值，開(kāi)通脈沖信號(hào)的脈寬ton,dyn一般為幾ns到幾十ns。

6、進(jìn)一步，所述高精度積分保持電路的設(shè)計(jì)，需選擇漏電流較小的二極管d1和開(kāi)關(guān)管s1，否則會(huì)影響到該sic?mosfet結(jié)溫在線監(jiān)測(cè)電路的測(cè)量精度。

7、本發(fā)明另一目的在于提供一種基于所述基于開(kāi)通延遲積分器的sic?mosfet結(jié)溫在線監(jiān)測(cè)電路的基于開(kāi)通延遲積分器的sic?mosfet結(jié)溫在線監(jiān)測(cè)方法，該方法具體包括：

8、1)第一步：將sic?mosfet置于加熱臺(tái)上，將sic?mosfet加熱到指定結(jié)溫；

9、2)第二步：在給定母線電壓下對(duì)sic?mosfet進(jìn)行雙脈沖測(cè)試，從而可以得到該芯片溫度下的積分電壓信號(hào)v4。由于積分電壓信號(hào)大小與工況無(wú)關(guān)，因此無(wú)需在不同負(fù)載電流下對(duì)積分電壓信號(hào)v4進(jìn)行校準(zhǔn)；

10、3)第三步：改變加熱臺(tái)溫度，重復(fù)第二步，即可得到不同芯片溫度下的積分電壓信號(hào)v4，通過(guò)最小二乘法線性回歸即可得到積分電壓信號(hào)v4隨sic?mosfet芯片溫度的變化曲線；

11、4)第四步：重復(fù)第一步到第三步，改變母線電壓大小，即可得到在不同母線電壓下的積分電壓信號(hào)v4隨sic?mosfet芯片溫度的變化曲線。當(dāng)系統(tǒng)母線電壓波動(dòng)范圍較小時(shí)，母線電壓大小對(duì)結(jié)溫在線監(jiān)測(cè)電路測(cè)量精度的影響何以忽略不計(jì)，從而可以省略第四步；在得到積分電壓信號(hào)v4與sic?mosfet芯片溫度校準(zhǔn)曲線之后，就可以根據(jù)校準(zhǔn)曲線和sicmosfet每次開(kāi)通之后的積分電壓信號(hào)v4來(lái)對(duì)sic?mosfet進(jìn)行結(jié)溫在線監(jiān)測(cè)。

12、本發(fā)明另一目的在于提供一種計(jì)算機(jī)設(shè)備，所述計(jì)算機(jī)設(shè)備包括存儲(chǔ)器和處理器，所述存儲(chǔ)器存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序被所述處理器執(zhí)行時(shí)，使得所述處理器執(zhí)行所述基于開(kāi)通延遲積分器的sic?mosfet結(jié)溫在線監(jiān)測(cè)方法的步驟。

13、本發(fā)明另一目的在于提供一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)，使得所述處理器執(zhí)行所述基于開(kāi)通延遲積分器的sic?mosfet結(jié)溫在線監(jiān)測(cè)方法的步驟。

14、結(jié)合上述的技術(shù)方案和解決的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所要保護(hù)的技術(shù)方案所具備的優(yōu)點(diǎn)及積極效果為：

15、第一、本發(fā)明所提供的電路成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快，便于集成于sicmosfet驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)。所提出的結(jié)溫在線監(jiān)測(cè)方法不受負(fù)載大小和封裝老化的影響，增強(qiáng)了本發(fā)明對(duì)sic?mosfet進(jìn)行結(jié)溫在線監(jiān)測(cè)的適用性。提出了一種可以大幅提高結(jié)溫測(cè)量精度的方法。所提方法不需要降低sic?mosfet的開(kāi)關(guān)速度，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)熱敏電參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量，不會(huì)干擾器件的正常運(yùn)行。所提出的結(jié)溫在線監(jiān)測(cè)方法在多芯片并聯(lián)結(jié)構(gòu)中具有更加明確的物理含義。所提方法在多個(gè)sic?mofet芯片并聯(lián)時(shí)能夠測(cè)得芯片的最高結(jié)溫，更利于對(duì)電力電子設(shè)備和器件狀態(tài)進(jìn)行在線評(píng)估。

16、1)sic?mosfet開(kāi)通延遲與負(fù)載電流的大小、芯片焊點(diǎn)裂縫和鍵合線脫落等封裝老化影響無(wú)關(guān)，因此本發(fā)明所提出的一種基于開(kāi)通延遲積分器的sic?mosfet結(jié)溫在線監(jiān)測(cè)電路和方法不受負(fù)載變化和封裝老化的影響。

17、2)關(guān)于測(cè)量精度的提高，本發(fā)明提出了一種將開(kāi)通延遲這個(gè)時(shí)間信號(hào)通過(guò)高精度積分電路轉(zhuǎn)化為積分電壓信號(hào)的方法，從而實(shí)現(xiàn)了在結(jié)溫測(cè)量精度上大幅度的提升。

18、3)關(guān)于在多sic?mosfet芯片并聯(lián)情況下所測(cè)得積分電壓信號(hào)的物理意義。由于sic?mosfet的開(kāi)通延遲與芯片溫度成負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)多sic?mosfet芯片并聯(lián)時(shí)，本發(fā)明所提方法會(huì)測(cè)量到最早開(kāi)通的sic?mosfet芯片，因此本發(fā)明所提方法在多個(gè)sic?mofet芯片并聯(lián)時(shí)能夠測(cè)得芯片的最高結(jié)溫，具有更明確的物理意義。

19、第二，本發(fā)明的技術(shù)方案解決了人們一直渴望解決、但始終未能獲得成功的技術(shù)難題：

20、傳統(tǒng)方法認(rèn)為sic?mosfet的開(kāi)通速度很快、開(kāi)通延遲隨芯片結(jié)溫變化不明顯，只有通過(guò)大幅度降低sic?mosfet的開(kāi)通速度才能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)其開(kāi)通延遲的精準(zhǔn)測(cè)量，進(jìn)而根據(jù)測(cè)量得到的開(kāi)通延遲估算出sic?mosfet的芯片結(jié)溫。本發(fā)明所提出的方法解決了這一難題，在不降低sic?mosfet開(kāi)通速度的前提下，提出了基于開(kāi)通延遲積分器的sic?mosfet結(jié)溫在線監(jiān)測(cè)方法，該方法通過(guò)測(cè)量積分電壓信號(hào)v4來(lái)估算sic?mosfet的芯片結(jié)溫，實(shí)現(xiàn)了高精度的sic?mosfet芯片結(jié)溫在線監(jiān)測(cè)。除此之外，所提方法還不受負(fù)載電流大小的影響，適合于工業(yè)應(yīng)用。

21、第三，在現(xiàn)有的sic?mosfet功率器件應(yīng)用中，器件的結(jié)溫監(jiān)測(cè)一直是影響系統(tǒng)可靠性和安全性的關(guān)鍵問(wèn)題。傳統(tǒng)的溫度監(jiān)測(cè)方法通常依賴外部傳感器，無(wú)法實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地反映sic?mosfet內(nèi)部結(jié)溫的變化，導(dǎo)致器件在高功率工作時(shí)易出現(xiàn)過(guò)熱、性能衰退甚至失效的情況。此外，現(xiàn)有技術(shù)在檢測(cè)結(jié)溫時(shí)，存在響應(yīng)速度慢、測(cè)量精度不足以及無(wú)法實(shí)時(shí)反映開(kāi)通延遲等動(dòng)態(tài)特性的問(wèn)題，限制了其在高功率場(chǎng)景中的應(yīng)用。

22、本發(fā)明通過(guò)基于開(kāi)通延遲積分器的sic?mosfet結(jié)溫在線監(jiān)測(cè)電路，解決了傳統(tǒng)結(jié)溫監(jiān)測(cè)方法的不足。通過(guò)測(cè)量mosfet開(kāi)通過(guò)程中的柵極電壓與源極電壓的動(dòng)態(tài)變化，生成與開(kāi)通延遲相關(guān)的脈沖信號(hào)，并利用高精度積分保持電路將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)溫的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)。此方法不再依賴外部傳感器，直接通過(guò)電路監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)延遲來(lái)推導(dǎo)結(jié)溫，大大提高了溫度檢測(cè)的精度和響應(yīng)速度。

23、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有顯著的技術(shù)進(jìn)步。首先，利用電路級(jí)別的柵極電壓與源極電壓信號(hào)監(jiān)測(cè)，確保了結(jié)溫監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性和高精度。其次，采用開(kāi)通延遲脈沖信號(hào)作為結(jié)溫監(jiān)測(cè)依據(jù)，極大地提升了系統(tǒng)對(duì)溫度動(dòng)態(tài)變化的響應(yīng)能力，解決了傳統(tǒng)方法響應(yīng)慢的問(wèn)題。此外，電路設(shè)計(jì)中通過(guò)濾波和積分保持技術(shù)有效減少了外界干擾，保證了監(jiān)測(cè)結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。

24、在功率電子產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中，本發(fā)明的結(jié)溫在線監(jiān)測(cè)電路能夠顯著提升sic?mosfet器件的安全性和使用壽命。通過(guò)對(duì)結(jié)溫的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)能夠及時(shí)調(diào)整運(yùn)行狀態(tài)，避免過(guò)熱導(dǎo)致的器件損壞，尤其適用于電動(dòng)汽車(chē)、光伏逆變器等高功率場(chǎng)景。該電路不僅提升了設(shè)備的運(yùn)行效率，還減少了維護(hù)成本和停機(jī)時(shí)間，為工業(yè)生產(chǎn)提供了更高的安全性和經(jīng)濟(jì)效益。