與 Si 器件相比， SiC 器件具有更加優(yōu)異的電氣性能， 新特性給其結(jié)溫評(píng)估帶來(lái)了新挑 戰(zhàn)， 許多適用于 Si 器件的結(jié)溫評(píng)估方法可能不再適用于 SiC 器件。首先對(duì) SiC 金屬氧化物半導(dǎo)體 場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 的溫度特性進(jìn)行了分析， 闡述了本征載流子濃度、 載流子遷移率等參 數(shù)受溫度的影響機(jī)理， 分析了器件阻斷特性、 輸出特性、 轉(zhuǎn)移特性等參量， 以便找到能夠表征結(jié) 溫特性的電氣參量;然后研究分析了功率器件結(jié)溫測(cè)量的各類方法， 并重點(diǎn)闡述了溫敏電參數(shù) (TSEP) 法在 SiC MOSFET 結(jié)溫評(píng)估領(lǐng)域的應(yīng)用前景， 從線性度、 靈敏度等 6 個(gè)方面對(duì)比分析了 各方法的優(yōu)缺點(diǎn)， 并指出閾值電壓和體二極管壓降作為 TSEP 具有顯著優(yōu)勢(shì);最后分析了 TSEP 法在目前工程應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)， 并對(duì)未來(lái)的研究工作進(jìn)行了展望。

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展， SiC 作為一種新興的半導(dǎo)體 材料， 相比于傳統(tǒng)的 Si 材料具有禁帶寬度大、 擊 穿場(chǎng)強(qiáng)高、 熱導(dǎo)率高等特點(diǎn)。由 SiC 材料制作的功 率器件因其在高溫、 高頻、 高壓、 高功率密度等方 面具有更加優(yōu)越的性能 ， 在航空航天、 軌道交 通、 新能源發(fā)電與新能源汽車(chē)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng) 用前景。一方面， 在電力電子系統(tǒng)的故障中， 約 31%是功率器件故障引起的， 而功率器件的故障中 約 60%與溫度相關(guān) ;另一方面， 根據(jù)失效的部 位可將功率器件失效分為兩大類：芯片失效與封裝 失效。芯片失效又分為電擊穿和熱擊穿， 研究指出 電擊穿失效的本質(zhì)也是由于溫度過(guò)高而最終引起的 熱擊穿失效 ;加入三代半交流群，加VX：tuoke08。而封裝失效是由于結(jié)溫過(guò)高或長(zhǎng) 期的熱循環(huán)造成的， 對(duì)結(jié)溫進(jìn)行主動(dòng)管理可以提高 器件可靠性 。所以研究 SiC 功率器件的溫度特 性和結(jié)溫評(píng)估方法對(duì)功率器件的運(yùn)行可靠性提升具 有重要意義。

已有研究指出， SiC 金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng) 晶體管 (MOSFET) 的使用溫度最高可達(dá) 500 ℃ ， 在高溫下依舊能保持穩(wěn)定的伏安特性 。與 Si 器 件相比， 其高溫下的運(yùn)行更穩(wěn)定， 可靠性更高。結(jié) 溫是影響器件功耗和開(kāi)關(guān)特性的主要因素之一， 過(guò) 高的結(jié)溫以及短時(shí)間內(nèi)的大幅度結(jié)溫變化都可能導(dǎo) 致器件損傷或失效， 準(zhǔn)確的結(jié)溫評(píng)估為功率器件的 智能控制、 可靠性評(píng)估、 狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及主動(dòng)熱管理 等提供了重要依據(jù) 。結(jié)溫評(píng)估的方法可大致分 為四大類：熱網(wǎng)絡(luò)法、 光學(xué)法、 物理接觸法以及溫 敏電參數(shù) (TSEP) 法。

TSEP 法是目前被認(rèn)為最有前景的結(jié)溫評(píng)估方 法之一， 應(yīng)用于 Si 功率器件的結(jié)溫評(píng)估已經(jīng)相對(duì) 成熟。一方面， 由于微觀物理參數(shù)以及結(jié)構(gòu)的不 同， SiC 功率器件的溫度特性與 Si 功率器件之間存 在差異;另一方面， SiC 功率器件使用在開(kāi)關(guān)頻率 更高的場(chǎng)合， 開(kāi)關(guān)速度更快， 電壓、 電流的變化率 更大;進(jìn)一步， 器件對(duì)寄生參數(shù)更加敏感 。這 些因素可能導(dǎo)致適用于 Si 功率器件結(jié)溫評(píng)估的 TSEP 法， 在 SiC 功率器件的結(jié)溫評(píng)估中不再適用。對(duì) SiC 器件進(jìn)行結(jié)溫評(píng)估時(shí)不能照搬 Si 器件結(jié)溫 提取的方法。從已有研究來(lái)看， 應(yīng)用在 SiC 功率器件結(jié)溫評(píng)估的方法并不多。

本文闡述了 SiC 器件的溫度特性研究現(xiàn)狀， 并 在特性與參數(shù)方面與 Si 器件進(jìn)行了對(duì)比;對(duì) SiC 功率器件的結(jié)溫評(píng)估現(xiàn)狀進(jìn)行了分析總結(jié)， 重點(diǎn)對(duì) TSEP 法進(jìn)行了梳理;分析了目前 SiC 功率器件結(jié) 溫評(píng)估面臨的挑戰(zhàn)及對(duì)未來(lái)研究工作的展望。

1 SiC 器件的溫度特性

1.1 影響器件特性的主導(dǎo)因素

功率器件的特性與能帶寬度、 本征載流子濃 度、 載流子遷移率、 碰撞電離系數(shù)、 介電常數(shù)、 電 子親和力等多個(gè)物理本質(zhì)因素有關(guān)。根據(jù)影響 程度大小對(duì)主導(dǎo)因素進(jìn)行分析。

1.1.1 本征載流子濃度

熱激發(fā)條件下， 在半導(dǎo)體禁帶間產(chǎn)生電子-空 穴對(duì)， 決定著本征載流子濃度， 其直接影響功率器 件泄漏電流的大小， 并且具有明顯的溫敏特性， 通 過(guò)禁帶寬度 (EG )、 導(dǎo)帶態(tài)密度 (NC ) 和價(jià)帶態(tài) 密度 (NV) 表示出本征載流子濃度 (ni) ， 即

式中：n 為電子濃度;p 為空穴濃度;k 為玻耳茲 曼常數(shù);T 為熱力學(xué)溫度。由于 SiC 的禁帶寬度遠(yuǎn) 大于 Si 的， 所以 SiC 的本征載流子濃度比 Si 的小 得多， 這就意味著在 pn 結(jié)截止時(shí)， 二者的泄漏電 流存在幾個(gè)數(shù)量級(jí)的差異。同時(shí)， 本征載流子濃度 隨著溫度升高而增大。

1.1.2 載流子遷移率

載流子遷移率是衡量載流子在半導(dǎo)體中發(fā)生漂 移難易的特征量， 物理意義是單位場(chǎng)強(qiáng)下載流子發(fā) 生漂移的平均速度， 其受到半導(dǎo)體內(nèi)的多個(gè)參數(shù)影 響。載流子遷移率可表示為載流子類型 (電子或 空穴)、 摻雜濃度以及結(jié)溫的函數(shù)， 在低摻雜濃 度下 (小于 1015 cm -3)， 4H?SiC MOSFET 漂移區(qū)內(nèi) 載流子遷移率 (μ4H?SiC ) 與溫度的關(guān)系為

式中 k1為與材料相關(guān)的常數(shù)。所以， 在漂移區(qū)內(nèi)， 載流子的遷移率隨著溫度的上升而減小。F. R. Jiang 等人指出， SiC 功率器件中的 SiO2 / SiC 界 面陷阱密度非常大， 遠(yuǎn)高于 Si 器件中的 SiO2 / Si 界 面陷阱密度， 這很大程度上影響了載流子遷移率， 并且會(huì)嚴(yán)重影響 SiC 器件的性能和可靠性。雖然 SiO2在 SiC 上的熱氧化理論與 Si 類似， 但 SiC 氧化 過(guò)程中碳的存在導(dǎo)致界面陷阱密度比 SiO2 / Si 界面 高約 3 個(gè)數(shù)量級(jí) 。目前比較有效的減小 SiC / SiO2界面陷阱密度的工藝是高溫氮的鈍化， 可以有 效增加器件可靠性 。而界面質(zhì)量是影響溝道遷 移率的一個(gè)重要因素， 它通過(guò)多種散射機(jī)制直接降 低溝道遷移率 。另外， Si MOSFET 的溝道遷移 率隨溫度升高而降低， 而 SiC MOSFET 的溝道遷移 率隨溫度升高而增加 。

1.1.3 耗盡層寬度

在 p 型襯底的器件上加正偏壓時(shí)， 半導(dǎo)體內(nèi)會(huì) 形成一個(gè)耗盡區(qū)， 耗盡區(qū)的寬度 (WD，MOS ) 可以表 示為

式中：εS為相對(duì)介電常數(shù);q 為單位電荷量;NA為 摻雜濃度。由式 (3) 可以得出， 耗盡層的寬度受 到溫度的直接影響。而半導(dǎo)體的特征電容 (CS，M ) 與耗盡層的寬度直接相關(guān)， 可表示為

所以， 器件的特征電容也具有溫度依賴性， 溫度上 升， 耗盡層寬度增大， 特征電容下降。同時(shí)， 由于 特征電容是器件本體寄生參數(shù)， 其特性受到多方面 的綜合影響 。

1.1.4 半導(dǎo)體總電荷

半導(dǎo)體的總電荷 (QS ) 可表示為

式中：p0為半導(dǎo)體內(nèi)空穴的濃度;φB為體電勢(shì)， 其 大小為表面電勢(shì) (ΨS ) 的一半。SiC MOSFET 的閾 值電壓 (Vth ) 可以表示為

式中 COX為氧化層的特征電容。進(jìn)一步， SiC MOS? FET 的 Vth可表示為

閾值電壓的溫度依賴性主要受到本征載流子濃度的 影響， 隨著溫度的升高， 本征載流子濃度會(huì)增大， 從而導(dǎo)致 SiC MOSFET 的閾值電壓具有負(fù)溫度特 性， 目前已有研究通過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)得到證實(shí)。表 1 為 常溫下， 兩種常見(jiàn) SiC 材料與 Si 材料的物理參數(shù) 特性對(duì)比。

1.2 阻斷特性受溫度的影響

功率器件在電力電子系統(tǒng)中一般工作在導(dǎo)通或 關(guān)斷狀態(tài)， 所以研究阻斷特性的溫度特性對(duì)于器件 的應(yīng)用十分重要。曾亮等人對(duì) SiC MOSFET 阻 斷特性受溫度影響的情況進(jìn)行了分析， 對(duì)不同溫度 下的擊穿電壓進(jìn)行了研究， 其溫度依賴性如圖 1 所 示， 在溫度升高的過(guò)程中， 擊穿電壓不斷下降， 在 400 ～ 500 K 的溫度范圍內(nèi)， 擊穿電壓對(duì)溫度較敏 感， 而在其他溫度范圍內(nèi)對(duì)溫度的敏感性相對(duì) 較弱。

1.3 輸出特性受溫度的影響

SiC MOSFET 在不同溫度下的輸出特性有很大 區(qū)別， 在溫度升高的過(guò)程中， 輸出特性曲線出現(xiàn)下 移， 這意味著溫度升高造成飽和電流減小， 而導(dǎo)通 電阻增大， 二者的變化趨勢(shì)如圖 2 所示。這主 要與 SiC MOSFET 的 MOS 溝道電阻與漂移區(qū)電阻 的相互影響有關(guān)。

隨著溫度上升， 漂移區(qū)晶格散射會(huì)增強(qiáng)， 載流 子的遷移率則會(huì)減小， 從而漂移區(qū)電阻增加， 這樣 呈現(xiàn)出溫度對(duì)漂移區(qū)電阻的影響為正溫度效應(yīng);當(dāng) 驅(qū)動(dòng)電壓足夠， MOS 溝道會(huì)出現(xiàn)反型層， 其遷移 率和濃度主要是被 SiC / SiO2界面處的界面陷阱所限 制， 當(dāng)溫度上升時(shí)， 界面態(tài)密度會(huì)減小， 導(dǎo)致反型 層的遷移率增加， 從而使 MOS 溝道電阻減小， 這 樣呈現(xiàn)出溫度對(duì) MOS 溝道電阻的負(fù)溫度效應(yīng)。導(dǎo) 通電阻主要由 MOS 溝道電阻和漂移區(qū)電阻組成， 在低溫時(shí)， 漂移區(qū)電阻占據(jù)主導(dǎo)地位， 而 MOS 溝 道電阻的負(fù)溫度效應(yīng)會(huì)抑制總電阻的增大， 所以低 溫時(shí)電阻增大相對(duì)緩慢， 在溫度增大過(guò)程， MOS 溝道的電阻逐漸減小， 最后可忽略其變化對(duì)導(dǎo)通電 阻的影響。而漂移區(qū)電阻逐漸增大， 其正溫度效應(yīng) 主導(dǎo)了導(dǎo)通電阻的變化， 所以導(dǎo)通電阻隨著溫度的 上升， 其增大速度越來(lái)越快。

1.4 轉(zhuǎn)移特性受溫度的影響

SiC MOSFET 的轉(zhuǎn)移特性描述了漏極電流隨柵 極電壓的變化情況。隨著溫度的升高， 轉(zhuǎn)移特性曲 線向上移動(dòng)， 同時(shí)， 閾值電壓也在減小， 這是由于 在溫度上升過(guò)程中， 本征載流子濃度大量增加， 導(dǎo) 致閾值電壓隨溫度升高而降低 。這主要是因?yàn)?隨著溫度升高， 通過(guò) SiC 帶隙中的熱載流子增多， 導(dǎo)致本征載流子濃度減小， 從而造成了閾值電壓的降低 。影響轉(zhuǎn)移特性的另一重要參數(shù)是跨導(dǎo)， 跨導(dǎo)定 義為漏極電流的微小增量與柵極電壓微小增量的比 值， 其表征了柵極電壓對(duì)漏極電流的控制能力 ， 跨導(dǎo) (gm ) 可以表示為

式中：Z 為溝道寬度;LCH為溝道長(zhǎng)度;Vgs為柵源 電壓;μni為反型溝道電子遷移率， 其可由典型閃 射機(jī)制中體晶格散射遷移率 (μB )、 界面態(tài)散射遷 移率 (μit )、 表面聲子散射遷移率 ( μph ) 和表面 粗糙度散射遷移率 (μsr) 等幾部分表示為

徐鵬等人 在不同溫度下對(duì) SiC MOSFET 的跨導(dǎo) 進(jìn)行了測(cè)量， 其結(jié)果如圖 3 所示， 圖中 Vds為漏源 電壓。由圖 3 可以看出， 隨著溫度的升高跨導(dǎo)增 大， 同時(shí)還指出 SiC MOSFET 與 Si MOSFET 的跨導(dǎo) 的溫度依賴性存在差異， 二者在不同溫度下的增長(zhǎng) 速度不同。此外， 徐靜平等人 和陳明等人 詳 細(xì)分析了溫度對(duì) μni的影響， 在溫度小于 600 K 時(shí)， 溫度升高， μit 增加， μni 增加;當(dāng)溫度大于 600 K 時(shí)， μsr和 μph加強(qiáng)， 使得相應(yīng)遷移率的減小程度大 于 μit的增加， 從而造成 μni減小。

跨導(dǎo)對(duì)于功率器件的影響體現(xiàn)在米勒平臺(tái)電壓 上， 米勒平臺(tái)電壓 (Vplate) 表示為

式中 IL為負(fù)載電流。綜合式 (7) ～ (10) 可得， 溫度上升， 閾值電壓與米勒平臺(tái)電壓均降低， 而二 者直接影響著開(kāi)通過(guò)程的電壓下降時(shí)間與關(guān)斷過(guò)程 的電壓上升時(shí)間， 所以溫度會(huì)影響器件的開(kāi)關(guān)特性 。

1.5 開(kāi)關(guān)損耗及電應(yīng)力的溫度特性

功率器件的開(kāi)關(guān)損耗直接影響著變換器的效率 以及器件自身的結(jié)溫， 因此研究其溫度特性有著重 要意義。研究結(jié)果顯示， 在-20 ～ 60 ℃ 范圍內(nèi)， 溫 度上升， 開(kāi)通損耗減小， 關(guān)斷損耗增加， 而開(kāi)通損 耗下降的幅度更大， 所以導(dǎo)致總開(kāi)關(guān)斷損耗呈下降 趨勢(shì)。此外， 電流增大， 開(kāi)通損耗與關(guān)斷損耗均增 大， 但是關(guān)斷損耗對(duì)電流等級(jí)的敏感性大于開(kāi)通 損耗 。

開(kāi)關(guān)過(guò)程的電壓、 電流變化率以及此過(guò)程中的 電壓、 電流尖峰也是影響器件性能的重要因素， 同 時(shí)會(huì)影響器件所受的電應(yīng)力大小， 直接關(guān)系到器件 可靠性。隨著溫度升高， 開(kāi)通過(guò)程的電壓、 電流變 化率增大， 而關(guān)斷過(guò)程的電壓、 電流變化率減小， 這就造成開(kāi)通過(guò)程的電應(yīng)力迅速增大， 而關(guān)斷過(guò)程 的電應(yīng)力減小。進(jìn)一步說(shuō)明溫度升高， 會(huì)導(dǎo)致開(kāi)通 過(guò)程的時(shí)間變短， 而關(guān)斷過(guò)程時(shí)間變長(zhǎng) 。

2 結(jié)溫評(píng)估的研究進(jìn)展

隨著功率器件使用愈加廣泛， 其結(jié)溫評(píng)估已逐 步成為研究的熱點(diǎn)， 結(jié)溫評(píng)估的方法有很多， 不同 的結(jié)溫評(píng)估方法各有利弊。

2.1 熱網(wǎng)絡(luò)法

熱網(wǎng)絡(luò)法測(cè)溫是基于待測(cè)器件的實(shí)時(shí)損耗和瞬 態(tài)熱網(wǎng)絡(luò)模型， 通過(guò)仿真計(jì)算或離線查表等方式反 推芯片的結(jié)溫及其變化趨勢(shì) 。熱網(wǎng)絡(luò)法有兩種 可用的熱網(wǎng)絡(luò)模型類型：Foster 模型和 Cauer 模 型。因 Cauer 模型具有對(duì)應(yīng)于器件中不同層的 物理意義， 因此， 為了將熱網(wǎng)絡(luò)模型應(yīng)用于可靠性 分析， 一般選 擇 Cauer 模 型 作 為 目 標(biāo) 熱 網(wǎng) 絡(luò) 模 型 ， Cauer 型 n 階 RC 熱網(wǎng)絡(luò)模型如圖 4 所示， 圖中， Rth1～ n為第 1 ～ n 階熱阻;Ct h1～ n為第 1 ～ n 階 熱容;Tj為結(jié)溫;Tc為殼溫;Plo ss為器件實(shí)時(shí)損耗。

運(yùn)用熱網(wǎng)絡(luò)法評(píng)估器件的結(jié)溫時(shí)， 需要同時(shí)獲 得待測(cè)器件的實(shí)時(shí)損耗和熱網(wǎng)絡(luò)模型及參數(shù)， 然 而， 獲得器件精確的實(shí)時(shí)損耗及準(zhǔn)確的熱網(wǎng)絡(luò)模型 參數(shù)在實(shí)際運(yùn)用中卻十分困難。在器件的使用過(guò)程 中， 器件老化會(huì)導(dǎo)致熱網(wǎng)絡(luò)參數(shù)發(fā)生變化， 造成與 最初確定的熱網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)有較大差距， 因此需要 不斷更新參數(shù)以保證精度。為了保證熱網(wǎng)絡(luò)法測(cè)溫 的準(zhǔn)確性， 需要考慮的問(wèn)題包括：焊料層的老化情 況、 傳熱特性中異質(zhì)材料層之間傳熱角度的 差異性問(wèn)題 、 以及多芯片之間的熱耦合效應(yīng) 等 。采用有限元方法對(duì)功率模塊進(jìn)行熱仿真 分析是一種可行的方法， 可獲得芯片表面的二維溫 度場(chǎng)分布 。獲取熱網(wǎng)絡(luò)參數(shù)需要用到參數(shù)辨 識(shí)方法 ， 模型參數(shù)的準(zhǔn)確性直接影響結(jié)溫估計(jì) 的準(zhǔn)確性， 同時(shí)， 建立模型有必要考慮雜散參數(shù)的 影響， 并根據(jù)不同工況選擇不同的模型進(jìn)行器件的 評(píng)估與監(jiān)測(cè) 。

2.2 光學(xué)法

光學(xué)法測(cè)溫主要基于冷光、 拉曼效應(yīng)、 折射指 數(shù)、 反射比、 激光偏轉(zhuǎn)等光溫耦合效應(yīng)對(duì)器件的結(jié) 溫進(jìn)行測(cè)量， 通常借助待測(cè)器件溫度與紅外輻射之 間的關(guān)系， 包括紅外熱成像儀， 光纖、 紅外顯微 鏡、 輻射線測(cè)定儀等 。目前， 紅外熱成像儀已 經(jīng)廣泛應(yīng)用到結(jié)溫測(cè)量領(lǐng)域， 其測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確， 但 是使用成本高， 通常紅外熱成像儀測(cè)量結(jié)溫與其他 方法測(cè)量結(jié)溫進(jìn)行對(duì)比， 以此表征其他結(jié)溫測(cè)量方 法的準(zhǔn)確性。

另外， 利用溫敏光學(xué)參數(shù) ( TSOP) 法也可進(jìn) 行結(jié)溫測(cè)量。在 SiC MOSFET 體內(nèi)存在一個(gè)寄生的 體二極管， 體二極管正向?qū)ㄆ陂g， 在芯片周?chē)鷷?huì) 發(fā)出可見(jiàn)藍(lán)光， 合理利用此電致發(fā)光效應(yīng)可以對(duì) SiC MOSFET 進(jìn)行結(jié)溫測(cè)量。研究顯示， 體二極管 的發(fā)光強(qiáng)度與溫度的變化呈線性關(guān)系， 利用此線性 關(guān)系可以對(duì) SiC MOSFET 結(jié)溫進(jìn)行測(cè)量;此外， SiC MOSFET 體二極管的發(fā)光光譜與其結(jié)溫也有直 接關(guān)系， 其發(fā)光光譜大約在 380 nm 和 480 nm 處顯 示出兩個(gè)特征峰， 并且兩個(gè)特征峰隨結(jié)溫的變化關(guān) 系完全相反， 對(duì)光譜中的兩個(gè)特征峰進(jìn)行分析利用 也可以實(shí)現(xiàn)結(jié)溫測(cè)量 。

用光學(xué)法進(jìn)行結(jié)溫評(píng)估的優(yōu)勢(shì)是結(jié)果較準(zhǔn)確、 無(wú)接觸測(cè)量等， 但是， 無(wú)論是運(yùn)用紅外熱成像儀對(duì) SiC 功率器件進(jìn)行結(jié)溫測(cè)量， 還是采用 TSOP 法利 用 SiC MOSFET 體二極管的電致發(fā)光效應(yīng)， 都需要 去除器件的外封裝， 這會(huì)破壞整個(gè)模塊的完整性，并且大部分商用紅外熱成像儀的采樣率遠(yuǎn)不能滿足 結(jié)溫動(dòng)態(tài)測(cè)量的要求， 難以用于功率器件的結(jié)溫在線測(cè)量。

2.3 物理接觸法

物理接觸法測(cè)量器件結(jié)溫是將溫敏元件作為溫 度傳感器集成到功率器件中， 從而可以對(duì)結(jié)溫進(jìn)行 測(cè)量， 常用的溫敏元件有溫敏電阻和熱電偶等 。運(yùn)用溫敏元件進(jìn)行結(jié)溫測(cè)量方法簡(jiǎn)單、 容易實(shí)現(xiàn)， 但是響應(yīng)速度相對(duì)較慢， 并且需要破壞器件外封 裝， 難以器件結(jié)溫進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)， 同時(shí)測(cè)量的準(zhǔn)確 性與溫敏元件和芯片的位置有關(guān)， 精度難以滿足結(jié) 溫測(cè)量的要求。另外， 功率器件在高壓大電流下使 用時(shí)， 高電壓絕緣問(wèn)題以及電磁干擾問(wèn)題也是一個(gè) 重大挑戰(zhàn)。

Y. Zhou 等人和 X. Ma 等人 研究了基于 負(fù)溫度系數(shù) (NTC) 溫度傳感器實(shí)現(xiàn) IGBT 的動(dòng)態(tài) 結(jié)溫提取， 但是忽略了二極管的熱阻抗和芯片間的 熱耦合效應(yīng)。劉平等人以功率模塊內(nèi)置 NTC 溫 度傳感器為溫度參考點(diǎn)， 建立了考慮熱耦合效應(yīng)的 新型熱網(wǎng)絡(luò)模型， 結(jié)合準(zhǔn)確的損耗在線計(jì)算實(shí)現(xiàn)了 SiC MOSFET 結(jié)溫的在線提取。

2.4 溫敏電參數(shù)法

TSEP 法利用結(jié)溫與待測(cè)器件電氣參數(shù)的對(duì)應(yīng) 關(guān)系， 通過(guò)測(cè)量一定溫度下器件電氣參數(shù)來(lái)評(píng)估器 件結(jié)溫。運(yùn)用 TSEP 法進(jìn)行結(jié)溫測(cè)量步驟如下：首 先進(jìn)行離線校準(zhǔn)， 通過(guò)離線方式獲得 TSEP 與已知 結(jié)溫的映射關(guān)系， 作為后續(xù)結(jié)溫測(cè)量的參考;其次 是開(kāi)展參數(shù)提取， 在待測(cè)器件正常運(yùn)行時(shí)， 實(shí)時(shí)對(duì) TSEP 進(jìn)行測(cè)量;最后利用事先校準(zhǔn)程序中獲得的 映射關(guān)系反推芯片溫度。該過(guò)程可通過(guò)曲線擬合后 的查表法或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)法等方式確定 。

SiC 器件不同于 Si 器件， 因其常用于高壓、 高 頻、 高功率密度等場(chǎng)合， 所以對(duì)其結(jié)溫測(cè)量提出了 更大的挑戰(zhàn)。基于 TSEP 法進(jìn)行結(jié)溫評(píng)估是目前研 究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)， 根據(jù)參數(shù)獲取的時(shí)間階段不同， 可以將 TSEP 分為靜態(tài)參數(shù)和動(dòng)態(tài)參數(shù)兩大類。在 開(kāi)通或者關(guān)斷轉(zhuǎn)換過(guò)程中提取的參數(shù)稱為動(dòng)態(tài)參 數(shù)， 包括柵極峰值電流、 開(kāi)通/ 關(guān)斷延時(shí)、 米勒平 臺(tái)、 閾值電壓、 漏極電流變化率、 柵極內(nèi)阻和關(guān)斷 損耗;在完全導(dǎo)通和完全關(guān)斷期間提取的參數(shù)稱為 靜態(tài)參數(shù)， 包括導(dǎo)通壓降、 導(dǎo)通電阻、 體二極管壓 降、 飽和電流和短路電流 。

2.4.1 開(kāi)通/ 關(guān)斷延時(shí)

開(kāi)通延遲時(shí)間 (t d ， on ) 定義為柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的 上升沿與導(dǎo)通電流開(kāi)始上升之間的時(shí)間。而類似的 關(guān)斷延遲時(shí)間 (t d ， off) 定義為柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的下降 沿與導(dǎo)通電流下降到零之間的時(shí)間。目前， 開(kāi)通/ 關(guān)斷延遲時(shí)間已用于 Si MOSFET 與 Si IGBT 的結(jié)溫 測(cè)量， 并且取得了良好的效果 。SiC 功率器件 相比于 Si 功率器件的開(kāi)關(guān)速度更快， 所以對(duì)于開(kāi) 通/ 關(guān)斷延遲時(shí)間的測(cè)量提出了更高的要求。

研究結(jié)果表明不同外柵極電阻下的開(kāi)通延時(shí)不 同， 如圖 5所示增大 SiC MOSFET 的外柵極電阻 (Rg) 可以有效地增大開(kāi)通延遲時(shí)間， 提高靈敏 度， 在 2 000 Ω 的外柵極電阻下， 靈敏度約為 600 ps/ ℃ ， 開(kāi)通延時(shí)與結(jié)溫之間的線性度較好， 不同 漏極電流對(duì)其幾乎沒(méi)有影響 。關(guān)斷延時(shí)同時(shí)受 到溫度和負(fù)載電流的影響， 靈敏度較低 (負(fù)載電 流 5 A 時(shí)約為 20 ps/ ℃ )， 同樣可以通過(guò)增大外部 柵極電阻或等效輸入電容來(lái)提高靈敏度， 圖 6 所示是對(duì) 1 200 V/ 24 A 的 SiC MOSFE 進(jìn)行靈敏度 測(cè)試對(duì)比實(shí)驗(yàn)， 將外柵極電阻由 0 Ω 增加到 150 Ω 和 300 Ω 可以將靈敏度提高 30～60 倍。

2.4.2 柵極峰值電流

當(dāng)柵極驅(qū)動(dòng)電壓保持不變時(shí)， 柵極電流可以間接地反映柵極內(nèi)阻的大小， 柵極電流可直接通過(guò)測(cè) 量外柵極電阻兩端的電壓進(jìn)行測(cè)量， 測(cè)量原理如圖 7所示。

柵極峰值電流用于評(píng)估 SiC MOSFET 的結(jié)溫， 電流鏡式的柵極驅(qū)動(dòng)拓?fù)溥m用于柵極峰值電流作為 TSEP， 而推挽式和電感式的柵極驅(qū)動(dòng)拓?fù)涓m用 于采用開(kāi)通過(guò)程的柵極電流的積分作為 TSEP;已 有 研 究 人 員 對(duì) ROHM 公 司 的 400 V/ 20 A (SCTMU001F) SiC MOSFET 展開(kāi)研究， 結(jié)果顯示 柵極峰值電流與結(jié)溫之間大致呈線性關(guān)系， 其靈敏 度約為 0.2 mA/ ℃ ， 可以用于評(píng)估 SiC MOSFET 的 結(jié)溫， 但是， 電源電壓和負(fù)載電流會(huì)影響柵極峰值 電流的溫度依賴性， 從而對(duì)結(jié)溫測(cè)量的準(zhǔn)確性造成 影響 。

2.4.3 閾值電壓

閾值電壓的常用測(cè)量方法有變跨導(dǎo)法、 固定電 流法和線性外推法等 。使用閾值電壓對(duì) Si MOS? FET 進(jìn)行結(jié)溫評(píng)估， 靈敏度可達(dá)到- 5.8 mV/ ℃ ， 相比于體二極管壓降具有更好的溫度敏感性， 并且 線性度較好 。因?yàn)?Vgs的上升時(shí)間非?？?， 通 ?？梢赃_(dá)到 1 V/ ns， 所以對(duì)柵極電壓進(jìn)行準(zhǔn)確采 樣是一個(gè)很大挑戰(zhàn)。閾值電壓具有負(fù)溫度系數(shù)， 圖 8 所示為 SiC MOSFET 的閾值電壓隨溫度的變化曲線。有學(xué)者對(duì) Cree 1200 V/ 30 A C3M0075120K 的閾值電壓進(jìn)行了 測(cè)試， 其靈敏度約為-5.2 mV/ ℃ ， 負(fù)載電流對(duì)閾 值電壓的影響不大， 因此可忽略負(fù)載電流對(duì)閾值電 壓溫度依賴性的影響， 但是負(fù)載電流過(guò)大會(huì)造成器 件的自熱嚴(yán)重;另外， 運(yùn)用閾值電壓進(jìn)行結(jié)溫評(píng)估的靈敏度不受電源電壓的影響 。閾值電壓 應(yīng)用于 SiC 功率器件進(jìn)行結(jié)溫評(píng)估是可行的， 但是 需要高速的精密測(cè)量電路與儀器。

2.4.4 漏極電流變化率

在器件的開(kāi)通和關(guān)閉過(guò)程， 漏極電流 (iD ) 變 化率 (diD / dt) 是關(guān)于溫度的函數(shù)， 可用作結(jié)溫評(píng) 估的 TSEP， 并且開(kāi)通 diD / dt 的溫度依賴性比關(guān)斷 diD / dt 更 好。H. Li 等 人 對(duì) ROHM 公 司 生 產(chǎn) 的 1 200 V/ 40A (SCT2080KE) SiC MOSFET 的開(kāi) 通 diD / dt 進(jìn)行了測(cè)定研究， 在不同電源電壓下開(kāi) 通 diD / dt 的溫度依賴性如圖 9 所示， 可以看出漏極 電流變化率隨著溫度的升高而增大。

在柵極電阻過(guò)大或者過(guò)小時(shí)， diD / dt 溫度依賴 性的靈敏度都比較低， 在合適大小的柵極電阻時(shí)其 靈敏度會(huì)更高。將 diD / dt 用作 SiC MOSFET 結(jié)溫測(cè) 量的 TSEP， 其線性度好， 但靈敏度低， 可以適當(dāng) 增大柵極電阻來(lái)提高靈敏度。負(fù)載電流、 電源電 壓、 柵極電阻以及驅(qū)動(dòng)電壓都與 diD / dt 存在耦合 關(guān)系 。

2.4.5 柵極內(nèi)阻

柵極內(nèi)阻 (Rg ， int) 由功率器件柵極內(nèi)部的所 有電阻構(gòu)成， 不同器件之間存在差異。將一個(gè)高頻 正弦信號(hào)施加在柵極側(cè)， 同時(shí)將負(fù)載端進(jìn)行短接， 可以 實(shí) 現(xiàn) 對(duì) 柵 極 內(nèi) 阻 的 測(cè) 量 。T. Kestler 等 人在 SiC MOSFET 處于關(guān)斷時(shí)在柵極側(cè)施加一 個(gè)高頻信號(hào)， 通過(guò)外部柵極電阻實(shí)現(xiàn)柵極內(nèi)阻的測(cè) 量， 進(jìn)一步， T. Kestler 等人采用了一種 “即插 即用” 的開(kāi)關(guān)裝置， 在器件導(dǎo)通和關(guān)斷情況下均 可實(shí)現(xiàn)柵極內(nèi)阻的在線測(cè)量， 從而使得測(cè)量更加 簡(jiǎn)便。一般來(lái)說(shuō)， SiC 功率器件的柵極內(nèi)阻很小， 所 以在測(cè)量時(shí)比 Si 功率器件更加困難。不同電源電 壓下 1 200 V/ 50 A SiC MOSFET 柵極內(nèi)阻的溫度依 賴性如圖 10 所示 ( 圖中的 Vds 與電源電壓相 等)， 其具有正溫度系數(shù)， 線性度較好， 靈敏度較 高， 約為 0. 6 ～ 1 mΩ/ ℃ ， 同時(shí)電源電壓會(huì)影響柵 極內(nèi)阻的溫度依賴性 。

2.4.6 米勒平臺(tái)

在功率器件的開(kāi)通/ 關(guān)斷過(guò)程中， 會(huì)出現(xiàn)一個(gè) 短時(shí)間瞬態(tài)米勒平臺(tái)， 此時(shí)對(duì)應(yīng)電壓即米勒平臺(tái)電 壓。V. K. Sundaramoorthy 等人的研究中米勒 電容的放電時(shí)間被用作 TSEP 來(lái)評(píng)估 IGBT 的結(jié)溫， 結(jié)果表明米勒平臺(tái)寬度與 IGBT 的結(jié)溫呈線性 關(guān)系。

SiC 器件中米勒電容放電時(shí)間是復(fù)雜的， 因其 尺寸更小， 所以米勒電容也更小， 將其用于 SiC 器 件的結(jié)溫評(píng)估非常困難 。李新秀 指出， SiC MOEFET 的米勒平臺(tái)電壓并不明顯， 主要原因是其 短溝道效應(yīng)和低跨導(dǎo)引起的。B. Y. Liu 等人 提出了一種基于米勒平臺(tái)電壓和漏源電流的多維 TSEP 對(duì) SiC MOSFET 進(jìn)行結(jié)溫評(píng)估， 并與紅外測(cè) 溫進(jìn)行比較， 結(jié)果顯示， 兩種方法測(cè)得的結(jié)溫波動(dòng) 趨勢(shì)大致相同， 只在結(jié)溫峰值處略有區(qū)別， 二者誤 差在 3%左右。

2.4.7 關(guān)斷損耗

關(guān)斷損耗 (Eoff) 作為 TSEP， 可用于功率器件 的結(jié)溫監(jiān)測(cè)。G. Q. Xu 等人 和 X. Z. Qiu 等 人將關(guān)斷損耗用作 TSEP 測(cè)量 IGBT 的結(jié)溫， 結(jié) 果表明器件的關(guān)斷損耗與結(jié)溫之間有著良好的正比 關(guān)系， 其線性度好、 響應(yīng)速度快、 監(jiān)測(cè)方便、 可實(shí) 現(xiàn)無(wú)損測(cè)量和在線測(cè)量。雖然目前暫未應(yīng)用于 SiC 器件 估 ， 但隨著進(jìn)一步的研究發(fā)展， 或許可以成為評(píng) SiC 器件結(jié)溫的新方法。

2.4.8 導(dǎo)通壓降

SiC MOSFET 的導(dǎo)通壓降 (Vds ， on ) 定義為器件 完全導(dǎo)通時(shí)漏源極之間的電壓差， 其與器件的結(jié)溫 之間有著確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系， 可以用作 TSEP 進(jìn)行結(jié) 溫評(píng)估， 其在線監(jiān)測(cè)的主要挑戰(zhàn)是轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)期間 漏源極之間的顯著電壓偏移， 電壓范圍從導(dǎo)通期間 的幾伏到關(guān)斷期間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)直流鏈路的電壓瞬變。使用電壓鉗位電路可以對(duì)導(dǎo)通電壓實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量， 圖 11 為不同負(fù)載電流下 1 200 V/ 29.5 5 A SiC MOSFET (CCS020M12CM2) 導(dǎo)通壓降的溫度依賴 性， 導(dǎo)通壓降與溫度之間有著正溫度系數(shù)， 其線性 度好， 靈敏度高， 在 26 A 負(fù)載電流下， 靈敏度可 達(dá)到 13.7 mV/ ℃ ， 同時(shí)負(fù)載電流會(huì)影響其溫度依 賴性， 可對(duì)電流進(jìn)行測(cè)量以解耦， 同時(shí)可以在考慮 自熱效應(yīng)的情況下適當(dāng)增大負(fù)載電流來(lái)提高其靈 敏度 。

2.4.9 導(dǎo)通電阻

導(dǎo)通電阻 (Rds ， on ) 可用于 Si IGBT 的結(jié)溫評(píng) 估。SiC MOSFET 導(dǎo)通電阻由芯片通態(tài)漏源電阻和 封裝電路電阻兩部分組成 。圖 12 所示為功率 循環(huán)前后 1 200 V/ 19 A SiC MOSFET 導(dǎo)通電阻的溫 度依賴性， 導(dǎo)通電阻有正溫度特性， 但是其靈敏度 不高且隨溫度變化， 并且線性度不足。

導(dǎo)通電阻的溫度依賴性存在非線性和靈敏度方 面的缺陷， 采用二項(xiàng)式插值的方法， 使用導(dǎo)通電阻 與導(dǎo)通電流協(xié)同對(duì)結(jié)溫進(jìn)行監(jiān)測(cè)， 可以有效提高其 測(cè)量精度 。另外， 導(dǎo)通電阻會(huì)受到老化影響， 在使用過(guò)程中， 隨著老化的加劇導(dǎo)通電阻會(huì)逐漸增 大， 所以在長(zhǎng)期使用過(guò)程中需要不斷進(jìn)行校準(zhǔn)過(guò) 程， 否則會(huì)造成測(cè)量值比實(shí)際結(jié)溫值高， 因此可以 用結(jié)溫的異常升高對(duì)器件的老化程度進(jìn)行評(píng)估 。

2.4.10 飽和電流

飽和電流 ( ID ， sat ) 也可用作結(jié)溫評(píng)估， 在器 件關(guān)斷時(shí)， 在柵極驅(qū)動(dòng)端施加一個(gè)略大于閾值電壓 的驅(qū)動(dòng)電壓， 然后通過(guò)測(cè)量漏極電流可以實(shí)現(xiàn)飽和 電流的提取， 飽和電流不僅與溫度有關(guān)， 同時(shí)也受 到柵極電壓的影響， 所以需要精準(zhǔn)控制柵極驅(qū)動(dòng) 電壓 。SiC MOSFET 的飽和電流已被用作結(jié)溫評(píng)估研 究， 研究結(jié)果顯示飽和電流具有正溫度系數(shù)， 但是 遺憾的是在應(yīng)用過(guò)程中需要進(jìn)行非線性擬合， 會(huì)增 大工作量。進(jìn)一步研究顯示， 飽和電流的平方根與 結(jié)溫有著良好的線性關(guān)系， 圖 13 所示為 Cree 公 司生產(chǎn)型號(hào)為 C2M0080120D 的 1 200 V/ 36 A SiC MOSFET 在不同柵極電壓下飽和電流平方根的溫度 依賴性， 其線性度好， 靈敏度較高， 可以用作代替 閾值電壓進(jìn)行結(jié)溫估計(jì)的 TSEP。

2.4.11體二極管壓降

當(dāng) MOSFET 的電流通道關(guān)閉 體二極管時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓降 V ， 電流反向流過(guò) SD， 此電壓降可用 作結(jié)溫評(píng)估的 TSEP。測(cè)量時(shí)對(duì)柵極施加負(fù)偏置電 壓， 同時(shí)施加反向電流流過(guò)體二極管， 為了盡可能 減小電流引起的自熱效應(yīng)， 電流取值不宜太大。

此體二極管壓降作為溫敏電參數(shù)時(shí)應(yīng)在柵極端 施加足夠的偏置負(fù)電壓 。圖 14所示為 1 200 V/ 50 A SiC MOSFET 在不同測(cè)量電流 (Im ) 下體二 極管壓降的溫度依賴性， 其線性度好， 靈敏度高 (-2 ～ -4 mV/ ℃ )， 是用作結(jié)溫測(cè)量的良好參數(shù)， 但不容忽視的其會(huì)受到柵極電壓與測(cè)量電流的影 響。另外， SiC MOSFET 在使用過(guò)程中的雙極性退 化會(huì)造成體二極管壓降發(fā)生漂移 。

2.4.12 短路電流

在測(cè)量短路電流時(shí)， 驅(qū)動(dòng)電壓與電源電壓都要 保持不變， 通過(guò)短路電流可以間接地反映通態(tài)電阻 隨結(jié)溫的變化， 短路電流法可以用于 MOSFET、 IGBT 等功率器件的結(jié)溫測(cè)量， 其具有線性度好和 靈敏度 高 等 優(yōu) 點(diǎn) 。短 路 電 流 法 用 作 型 號(hào) 為 IGC50T120T6RL 的 IGBT 結(jié)溫估計(jì)， 在驅(qū)動(dòng)電壓為 15 V 時(shí)， 其靈敏度可以達(dá)到 0.35 A/ ℃ ， 電源 電壓對(duì)其影響很小， 但驅(qū)動(dòng)電壓的影響較大， 因此 應(yīng)盡量選擇合適且恒定的驅(qū)動(dòng)電壓。劉奧博提 出了一種基于短路電流組合方式的 IGBT 結(jié)溫測(cè)量 方法， 可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鍵合線的老化解耦。需要注意的 是， 即使在很短時(shí)間內(nèi)短路電流也會(huì)引起很大的損 耗與自熱， 同時(shí)， 短路電流會(huì)加速器件的老化， 降 低器件的使用壽命， 所以應(yīng)慎重選擇短路電流作為 TSEP。目前來(lái)看， 使用短路電流法對(duì) SiC 器件結(jié) 溫進(jìn)行測(cè)量仍面臨許多挑戰(zhàn)， 需進(jìn)一步探索研究。

2.5 TSEP 對(duì)比分析

TSEP 法用于 SiC 功率器件的結(jié)溫評(píng)估比用于 Si 功率器件上更加困難， 迎來(lái)的挑戰(zhàn)也更多， 需 要綜合考慮在線性度、 靈敏度、 實(shí)現(xiàn)難易等多方面 的影響。表 2 對(duì) TSEP 法的線性度、 靈敏度、 耦合 量、 響應(yīng)速度、 老化影響以及實(shí)現(xiàn)難易程度進(jìn)行了 歸納總結(jié)， 表中 Vd c為電源電壓、 柵極電壓。

線性度表征 TSEP 與結(jié)溫之間的相關(guān)程度， 線性度好則校準(zhǔn)簡(jiǎn)單， 工作量小， 校準(zhǔn)曲線更加 準(zhǔn)確， 結(jié) 溫 測(cè) 量 結(jié) 果 更 加 可 信;靈 敏 度 表 征 TSEP 受結(jié)溫影響的程度大小， 靈敏度高的參數(shù) 用于結(jié)溫測(cè)量精度更高， 但靈敏度并非定值， 其 可能受到多種因素的影響， 例如關(guān)斷延時(shí)用作 TSEP 時(shí)， 通過(guò)增大柵極電阻可以增大靈敏度， 表中所列均為典型研究中測(cè)量結(jié)果靈敏度;耦合 量是影響 TSEP 溫度依賴性的其他參數(shù)， 在結(jié)溫 測(cè)量過(guò)程應(yīng)采取措施進(jìn)行解耦或減小耦合量的影 響;響應(yīng)速度表示結(jié)溫測(cè)量響應(yīng)的快慢， 表中開(kāi) 關(guān)頻率代表功率器件每開(kāi)關(guān)一次就可完成一次測(cè) 量;老化影響指器件在老化過(guò)程中是否會(huì)導(dǎo)致 TSEP 的漂移， 若 TSEP 發(fā)生漂移會(huì)導(dǎo)致結(jié)果偏離 最初的校準(zhǔn)曲線， 從而導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)較大誤差， 這時(shí)需要對(duì)校準(zhǔn)曲線更新或采取措施進(jìn)行老化解 耦， 需要注意的是幾乎所有的 TSEP 都會(huì)受到老 化的影響;而實(shí)現(xiàn)難易評(píng)價(jià)了該 TSEP 法實(shí)現(xiàn)的 可行性與復(fù)雜程度。

從表格對(duì)比結(jié)果來(lái)看， 閾值電壓與體二極管壓 降在結(jié)溫評(píng)估的綜合評(píng)價(jià)方面具有顯著優(yōu)勢(shì)， 另 外， 二者在校準(zhǔn)時(shí)的自熱程度均較小， 同時(shí)， 閾值 電壓的耦合量少， 而體二極管壓降則受老化的影響 較小。導(dǎo)通壓降雖然具有一定優(yōu)勢(shì)， 但是受自熱程 度影響較大。開(kāi)通/ 關(guān)斷延時(shí)、 柵極峰值電流以及 開(kāi)通漏極電流變化率的耦合量較多， 用于結(jié)溫評(píng)估 時(shí)需重點(diǎn)考慮耦合量的影響。導(dǎo)通壓降、 飽和電流 的非線性與靈敏度隨溫度變化導(dǎo)致準(zhǔn)確建立校準(zhǔn)曲 線較困難。柵極內(nèi)阻、 米勒平臺(tái)的靈敏度不高， 而 關(guān)斷損耗與短路電流用作 TSEP 對(duì) SiC MOSFET 結(jié) 溫評(píng)估是否適用還需進(jìn)一步探索。

根據(jù)實(shí)際工況選擇合適的 TSEP， 不破壞器件封裝情況下， 通過(guò)對(duì) TSEP 的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)可評(píng)估器件 結(jié)溫， 在器件的結(jié)溫異常時(shí)及時(shí)對(duì)電力電子系統(tǒng)進(jìn) 行維護(hù)， 可避免因結(jié)溫過(guò)高導(dǎo)致器件失效后造成系 統(tǒng)更大的損失 。

2.6 基于電磁效應(yīng)的結(jié)溫評(píng)估

J. O. Gonzalez 等人對(duì) IGBT 使用中的電磁輻 射 (EMR) 進(jìn)行捕獲分析， 結(jié)果顯示， EMR 是 IGBT 開(kāi)關(guān)延遲的函數(shù)， 該延遲與結(jié)溫成正比， 因 此結(jié)溫可以從 EMR 中提取出來(lái)， 該方法具有精度 高、 非侵入性的優(yōu)點(diǎn)。J. Demus 等人 分析了電 路電磁頻譜 (E?PHM) 變化實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的預(yù)測(cè)與健 康管理， 以確定待測(cè)器件的健康狀況， 該研究利用 E?PHM 技術(shù)評(píng)估 SiC MOSFET 的結(jié)溫， 結(jié)合訓(xùn)練 機(jī)器學(xué)習(xí)算法， 在不中斷設(shè)備運(yùn)行、 不改變系統(tǒng)性 能的情況下， 評(píng)估器件的結(jié)溫， 測(cè)量的結(jié)果誤差在 10 ℃內(nèi)。

2.7 影響結(jié)溫測(cè)量精度的因素

TSEP 法有響應(yīng)速度快、 不破壞器件結(jié)構(gòu)、 可 在線測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)， 具有良好的應(yīng)用前景， 受到了研 究者的廣泛關(guān)注。但是由于一些客觀原因或操作問(wèn) 題會(huì)影響測(cè)量的精度問(wèn)題， 例如器件可靠性問(wèn)題及 不同情況下的參數(shù)選擇等問(wèn)題 。

2.7.1 校準(zhǔn)問(wèn)題

運(yùn)用 TSEP 法進(jìn)行結(jié)溫評(píng)估時(shí)， 前期需要進(jìn)行 校準(zhǔn)操作， 通過(guò)主動(dòng)施加結(jié)溫來(lái)獲取 TSEP 與溫度 之間的函數(shù)關(guān)系， 此函數(shù)關(guān)系用于后續(xù)的結(jié)溫查找 表， 校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性直接影響著結(jié)果的準(zhǔn)確度。在校 準(zhǔn)的過(guò)程中需要最大程度地限制器件的自熱問(wèn)題， 以保證施加溫度與結(jié)溫盡可能保持一致。當(dāng) TSEP 的溫度依賴性線性度差， 靈敏度低時(shí)， 應(yīng)盡可能增 加采樣的數(shù)量， 以保證校準(zhǔn)曲線更準(zhǔn)確;而線性度 較好， 靈敏度高時(shí)可以適當(dāng)減少采樣的數(shù)量， 以減 少校準(zhǔn)過(guò)程的工作量。

2.7.2 老化問(wèn)題

器件在使用的過(guò)程中會(huì)發(fā)生老化， 老化幾乎會(huì) 對(duì)所有 TSEP 產(chǎn)生影響， 從而引起參數(shù)漂移， 造成 測(cè)量結(jié)果與實(shí)際結(jié)溫的誤差。例如老化會(huì)導(dǎo)致通態(tài) 電阻和閾值電壓的增加， 從而造成結(jié)溫估計(jì)比實(shí)際 溫度高。老化問(wèn)題解決的常用辦法有兩個(gè)：一個(gè)是 老化過(guò)程中不斷進(jìn)行校準(zhǔn)程序， 但此過(guò)程繁瑣， 工 作量大;另一個(gè)是采取一定的補(bǔ)償方式進(jìn)行老化補(bǔ) 償或?qū)崿F(xiàn)老化解耦。

2.7.3耦合問(wèn)題

TSEP 除了受到溫度的影響外， 還可能受到其 他參數(shù)的影響。例如不同柵極電阻值下導(dǎo)通延時(shí)靈 敏度不同、 不同電源電壓下柵極內(nèi)阻的溫度依賴性 差別很大等， 因此， 在實(shí)際工程運(yùn)用需考慮耦合問(wèn) 題， 可以采取措施解耦， 以實(shí)現(xiàn)結(jié)溫精確測(cè)量。

2.7.4 采樣精度問(wèn)題

SiC 器件較傳統(tǒng)的 Si 器件來(lái)說(shuō)， 開(kāi)關(guān)速度更 快， 傳統(tǒng)的測(cè)量電路與儀器很難滿足其精度要求。例如因開(kāi)通過(guò)程非常迅速， 使用開(kāi)通延時(shí)、 閾值電 壓等作為 TSEP 時(shí)， 可供采集的過(guò)程非常短， 通過(guò) 傳統(tǒng)的采集電路及設(shè)備得到的數(shù)據(jù)可能存在較大的 偏差， 因此對(duì)于相關(guān) TSEP 的測(cè)量電路與儀器需要 更高的精度要求。

3 結(jié)論及展望

3.1 結(jié)論

本文對(duì) SiC 功率器件的溫度特性和結(jié)溫評(píng)估研 究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析總結(jié)。首先對(duì)影響功率器件特性 的主導(dǎo)因素進(jìn)行了研究， 然后對(duì) SiC 器件的輸出特 性、 轉(zhuǎn)移特性受溫度的影響情況進(jìn)行了闡述， 分析 了溫度對(duì)器件參數(shù)的影響機(jī)理;進(jìn)一步， 對(duì)常見(jiàn)的 Si 與 SiC 半導(dǎo)體功率器件的材料參數(shù)特性進(jìn)行了比 較。最后， 對(duì)結(jié)溫評(píng)估的方法進(jìn)行了梳理總結(jié)。

研究表明， TSEP 法有著不破壞器件結(jié)構(gòu)、 可 在線評(píng)估， 響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)， 被認(rèn)為是最有前景 的結(jié)溫評(píng)估方法之一， 是本文闡述的重點(diǎn)。對(duì) SiC 功率器件結(jié)溫評(píng)估的 TSEP 法進(jìn)行了系統(tǒng)的梳理與 總結(jié)， 從線性度、 靈敏度、 耦合量、 響應(yīng)速度、 老 化影響以及實(shí)現(xiàn)難易程度 6 個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比分析， 建立了一套較為全面的評(píng)價(jià)指標(biāo)。分析了影響 TSEP 法測(cè)量精度的因素， 列舉了一些相應(yīng)的解決辦法 。

3.2 面臨的挑戰(zhàn)

TSEP 法雖然被認(rèn)為是 SiC 功率器件結(jié)溫評(píng)估 最有前景的方式之一， 目前也取得了一些有效的成 果。然而， 目前來(lái)看 TSEP 法在工程應(yīng)用中還面臨 許多挑戰(zhàn)， 主要包括以下幾個(gè)方面。

① 如何在不改變電路拓?fù)浜妥儞Q器運(yùn)行狀態(tài) 的前提下運(yùn)用該方法。不改變?cè)械闹麟娐吠負(fù)渑c 運(yùn)行狀態(tài)是不能違背的基本原則之一。比如在測(cè)量 時(shí)整流器的輸出端引入大的紋波是工程應(yīng)用中不想看到的結(jié)果。

②如何對(duì)耦合量實(shí)現(xiàn)解耦。耦合量越多校準(zhǔn)的 過(guò)程就越復(fù)雜越困難， 并且耦合量會(huì)影響結(jié)溫測(cè)量 的精度， 因此采取措施對(duì)耦合量進(jìn)行解耦， 或?qū)Ⅰ?合量的影響程度減至最小， 以增強(qiáng)測(cè)量結(jié)果的可 信度。

③如何減小器件老化的影響， 或直接對(duì)老化因 素解耦。幾乎所有的 TSEP 都會(huì)受到老化因素的影 響， 而老化過(guò)程需要不斷進(jìn)行校準(zhǔn)， 校準(zhǔn)過(guò)程的工 作量大且繁瑣， 因此減小老化影響或直接對(duì)老化實(shí) 現(xiàn)解耦是必要的。

④不同器件需要重新校準(zhǔn)的挑戰(zhàn)。校準(zhǔn)過(guò)程工 作量大而繁瑣， 但不同器件的同一 TSEP 溫度依賴 性不同， 因此每次都需要重新校準(zhǔn)， 這會(huì)導(dǎo)致工作 效率低下， 也是目前較難克服的挑戰(zhàn)。

⑤測(cè)量電路及儀器的精度問(wèn)題。SiC 材料的 TSEP 采集非常困難， 因此對(duì)測(cè)量電路和儀器的精 度提出了更高的要求。

⑥器件可靠性問(wèn)題。SiC MOSFET 的柵氧層的 SiC / SiO2界面態(tài)問(wèn)題是芯片生產(chǎn)工藝難以克服的難 點(diǎn)， 這嚴(yán)重影響了其性能， 大量的界面陷阱會(huì)降低 溝道遷移率、 造成閾值電壓發(fā)生漂移， 進(jìn)而對(duì)轉(zhuǎn)移 特性和輸出特性造成影響， 從而導(dǎo)致大多數(shù)電氣參 數(shù)受到影響。

⑦寄生電感問(wèn)題。主電路中不可避免的存在寄 生電感， 寄生電感的存在會(huì)引入干擾影響到開(kāi)關(guān)波 形， 而開(kāi)關(guān)波形是讀取被測(cè)器件動(dòng)態(tài)參數(shù)的重要依據(jù)，因此寄生電感問(wèn)題是面臨的挑戰(zhàn)之一 。

3.3 展 望

目前， TSEP 數(shù)法應(yīng)用在 SiC 功率器件的結(jié)溫 評(píng)估中尚不成熟， 仍有許多問(wèn)題亟待研究解決， 從 以下幾個(gè)方面對(duì)未來(lái)的研究工作進(jìn)行展望。

①改善傳統(tǒng)適用 Si 器件的測(cè)量電路弊端， 研 究開(kāi)發(fā)新的測(cè)量電路。對(duì)于目前部分測(cè)量過(guò)程會(huì)改 變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或運(yùn)行狀態(tài)， 以及測(cè)量電路精度不 高、 靈敏度不夠等弊端， 需要進(jìn)一步改善測(cè)量電路 或提出全新的測(cè)量電路達(dá)到更理想的測(cè)量要求。

②實(shí)現(xiàn)多參數(shù)之間解耦。多個(gè)電參數(shù)耦合使得 結(jié)溫測(cè)量的工作量大幅度增加， 同時(shí)會(huì)影響測(cè)量的 準(zhǔn)確性問(wèn)題， 因此實(shí)現(xiàn)參數(shù)間的解耦是必要的。

③進(jìn)一步研究 SiC 器件老化的機(jī)理， 減小老化 對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。老化幾乎對(duì)所有的電參數(shù)都會(huì) 產(chǎn)生影響， 不斷的校準(zhǔn)過(guò)程使得工程應(yīng)用十分困 難， 可以采取措施進(jìn)行老化補(bǔ)償或開(kāi)發(fā)新方法實(shí)現(xiàn) 老化解耦。

④開(kāi)發(fā)新的結(jié)溫評(píng)估方法。目前對(duì)典型溫敏電 參數(shù)的利弊都有了一定的了解， 但是其他物理參量 是否適用于 SiC 器件結(jié)溫評(píng)估仍需進(jìn)一步探索。

審核編輯：湯梓紅