一种SiCMOSFET在线状态监测方法和系统

一种sic mosfet在线状态监测方法和系统
技术领域
1.本发明涉及功率半导体器件监测技术领域，尤其是涉及一种sic mosfet在线状态监测方法和系统。


背景技术：

2.sic mosfet更快的开关速度，更低的开关损耗和更高的耐温能力使其成为新一代高功率密度电能变换装置的发展趋势。sic mosfet器件给变换器带来性能大幅提升的同时，其可靠性问题越来越受到广泛关注。为提高sic mosfet的运行可靠性，需要对其早期劣化状态进行在线监测。然而，由于sic mosfet开关速度极快(约几十纳秒)，在线监测动态特性参数(如开关时间、米勒平台时间等)对硬件设备的时间分辨率要求高。而且，由于sic mosfet高频运行对寄生参数敏感，通过物理接触方式直接测量sic moseft电压会引入额外的高频寄生参数干扰，但现有监测方法难以做到无干扰非接触式在线监测。
3.farhadi m等人在“temperature independent gate oxide degradation monitoring of sic mosfets based on junction capacitances”的文献中研究了栅氧老化对sic mosfet结电容的影响并设计了状态检测方法，但结电容对栅氧老化高度敏感的区间并不属于器件正常运行的工况，为实现在线监测需要设计专用栅极驱动电路改变开关运行条件。
4.pu shi等人在“in situ degradation monitoring of sic mosfet based on switching transient measurement”的文献中利用器件的开启时间作为老化前驱体，开发了一个皮秒分辨率的检测电路来检测开启时间的变化。但这种监测系统需要极高的采样精度，大规模用于工业应用困难。
5.中国专利申请号cn202111248678.8提供了一种sic mosfet器件栅极老化监测电路及在线监测方法，上述申请在不影响到器件以及装置的正常工作的同时，可实现栅极老化在线监测，解决了大多数栅极老化监测方法难以在线实施的问题，有效避免停机监测造成的经济损失。上述申请通过寄生参数的变化来判断器件的老化状态，需要设置隔离型栅极驱动器、锁存器、比较器等器件，硬件结构较为复杂。
6.针对现有技术的不足，本发明提出一种sic mosfet在线状态监测系统与方法。


技术实现要素：

7.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种sic mosfet在线状态监测方法和系统，通过非接触方式测量栅极高频开关振荡电流以实现sic mosfet早期劣化状态安全、灵敏在线监测。
8.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
9.本发明的一个方面，提供了一种sic mosfet在线状态监测方法，包括如下步骤：
10.以非接触方式采集sic mosfet栅极回路的开关电流振荡信号，并提取用于状态监测的幅值信息；
11.获取sic mosfet的运行参数信息，基于预先标定好的sic mosfet栅极高频开关振荡电路峰值的运行特性，对所述幅值信息进行工况补偿，得到补偿后的额定工况下栅极高频开关振荡电路峰值；
12.基于额定工况下栅极高频开关振荡电路峰值，评估器件老化的程度。
13.作为优选的技术方案，基于所述开关电流振荡信号，通过高频峰值检测与信号采样得到所述用于状态监测的幅值信息。
14.作为优选的技术方案，所述的运行参数信息包括直流电压、电流、温度中的至少一个。
15.作为优选的技术方案，所述的评估器件老化的程度具体为：
16.通过对比本次测量得到的栅极高频开关振荡电路峰值以及历史测量栅极高频开关振荡电路峰值，定量评估器件老化的程度。
17.作为优选的技术方案，通过非接触高频开关电流振荡传感器从sic mosfet栅极回路中采集所述开关电流振荡信号。
18.作为优选的技术方案，所述的高频开关电流振荡传感器的带宽为1mhz-30mhz。
19.本发明的另一个方面，提供了一种sic mosfet在线状态监测系统，包括：
20.栅极高频开关电流振荡捕捉模块，包括设置在sic mosfet栅极回路的高频振荡电路传感器，用于以非接触方式在线捕获开关电流振荡信号；
21.振荡幅值特征提取模块，用于基于所述开关电流振荡信号，取出用于sic mosfet状态监测的幅值信息；
22.运行工况补偿模块，用于采集运行参数信息，基于预先标定好的sic mosfet栅极高频开关振荡电路峰值的运行特性，对所述幅值信息进行工况补偿，得到补偿后的额定工况下栅极高频开关振荡电路峰值；
23.老化状态评估模块，用于基于额定工况下栅极高频开关振荡电路峰值，定量评估器件老化的程度。
24.作为优选的技术方案，所述的振荡幅值特征提取模块包括高频峰值检测模拟电路与信号采样数字电路。
25.本发明的另一个方面，提供了一种电子设备，包括：一个或多个处理器以及存储器，所述存储器内储存有一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于执行上述sic mosfet在线状态监测方法的指令。
26.本发明的另一个方面，提供了一种计算机可读存储介质，包括供电子设备的一个或多个处理器执行的一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于执行上述sic mosfet在线状态监测方法的指令。
27.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
28.(1)灵敏度高：本发明以非接触方式测量栅极高频开关振荡电流通过幅值信息提取和工况补偿实现状态监测，栅极高频开关振荡对sic mosfet健康状态比较敏感，以sic mosfet栅氧老化为例，栅极高频开关振荡峰值会逐渐下降，降幅超过20％，因此本发明的方案有较高的灵敏度。
29.(2)安全性高：采用非接触式传感器在线测量并捕获栅极高频开关振荡电流，不会影响sic mosfet正常运行，可以实现安全连续在线监测。
附图说明
30.图1为sic mosfet在线状态监测系统框图；
31.图2为栅极高频振荡电流传感器安装位置；
32.图3为sic mosfet在线状态监测方法流程图；
33.图4为sic mosfet栅氧老化状态监测实验系统原理图；
34.图5为栅极高频开关振荡电流传感器和高频峰值检测电路实物图；
35.图6为不同门氧老化时间下开通栅极电流振荡i
g-s
的实验波形；
36.图7为峰值检测电路输出信号；
37.图8为i
g-s
峰值与栅氧老化关系示意图，
38.其中，1、栅极高频开关电流振荡捕捉模块，2、振荡幅值特征提取模块，3、运行工况补偿模块，4、老化状态评估模块。
具体实施方式
39.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
40.实施例1
41.参见图1，本实施例提供一种sic mosfet在线状态监测系统，通过测量并比较栅极振荡的峰值状态信息。sic mosfet在线状态监测系统框图如图1所示。
42.sic mosfet在线状态监测系统主要分为四个模块：一是栅极高频开关电流振荡捕捉模块，二是振荡幅值特征提取模块，三是运行工况补偿模块，四是老化状态评估模块。
43.(1)栅极高频开关电流振荡捕捉模块：在sic mosfet栅极回路安装高频振荡电路传感器通过非接触方式在线捕获高频开关电路振荡i
g-sw
，如图2所示。高频振荡电路传感器采用空心线圈结构，带宽在1mhz-30mhz之间。
44.(2)振荡幅值特征提取模块：该模块的作用是从栅极开通高频振荡信号i
g-sw
中提取出可以用于sic mosfet状态监测的幅值特征信息i
g-peak
。由于i
g-sw
的振荡频率较高，该模块采用高频峰值检测模拟电路与信号采样数字电路构成的数模混合电路。
45.(3)运行工况补偿模块：在sic mosfet运行过程中，运行条件包括直流电压vd、电流id以及温度tj变化会对器件健康状态在线监测准确性造成影响。该模块在线获取sic mosfet运行参数并补偿它们对器件健康状态在线监测的影响。
46.(4)老化状态评估模块：该模块的作用是将经过处理的不同时间段采集的sic mosfet状态检测参数进行对比，以此来确定是否发生老化并评估老化的程度。
47.本发明的系统运行方法如图3所示。
48.以sic mosfet栅氧老化状态监测为例，说明本发明的可行性与有效性。
49.(1)实验系统
50.实验系统为如图4所示的sic mosfet双向半桥变换器，基本参数如表1。栅极高频开关电流传感器以及高频峰值检测模拟电路如图5所示。栅极高频开关电流传感器安装在sic mosfet栅极引脚上，可在线捕获栅极电流开通振荡信号，该信号通过峰值检测电路提
取出峰值并输出到上位机，最后通过对不同老化状态下提取的特征参数对比进行栅氧状态分析和评估。实验中对被测sic mosfet栅源极施加高栅偏电压以模拟栅极老化。
51.表1实验系统的基本参数
[0052][0053]
(2)实验结果
[0054]
在vd＝600v、id＝8a、tj＝25℃ sic mosfet的运行工作点，不同门氧老化时间下开通栅极电流振荡i
g-sw
的时域图如图6所示。可以看到栅极开通振荡电流峰值随着老化程度的加深单调减小，下降幅度达到24.8％。
[0055]
对采集的栅极电流高频振荡做后续处理，取栅极开通电流振荡峰值作为状态监测参数。利用峰值检测保持电路对参数进行提取，输出可以近似为一条直线，既能采集到峰值信号又能降低系统对采样频率的要求。sic mosfet变换器运行中峰值检测电路的输出信号如图7所示。
[0056]
统计栅氧老化加深对栅极开通电流振荡峰值变化的影响如图8所示，可以看到i
g-sw
峰值有明显的分层现象，且随着栅氧老化而减小，验证了在线监测系统的基本原理和可行性。为进一步补偿运行工况对门氧劣化状态监测的影响，需要对运行参数进行适当补偿。sic mosfet运行特性标定实验表明，栅极高频开通振荡电流基本与id无关，而近似正比于vd和tj。据此，可按实际运行时的vd和tj将栅极高频开关振荡电路峰值折算到额定工况进行老化状态评估。
[0057]
本发明通过非接触方式从sic mosfet栅极回路在线测量高频开关振荡电流，并根据其变化实现对器件早期劣化状态进行安全、灵敏地在线监测。
[0058]
实施例2
[0059]
参见图3，本实施例提供了用于实施例1中sic mosfet在线状态监测系统的在线状态监测方法，包括如下步骤：
[0060]
步骤s1，初始化：启动监测程序前做好准备工作，具体包括记录时间以及当前时刻sic mosfet的运行参数；
[0061]
步骤s2，开关电流振荡信号捕捉：通过非接触高频开关电流振荡传感器从sic mosfet栅极回路中在线测量并捕获开关电流振荡信号。
[0062]
步骤s3，幅值特征提取：从上一步方法获得的栅极电流振荡信号中提取出可以用于sic mosfet状态监测的幅值信息。
[0063]
步骤s4，运行工况补偿：根据事先标定的sic mosfet栅极高频开关振荡电路峰值的运行特性，即i
g-peak
＝f(vd,id,tj)，通过将实际运行工况下提取得到的栅极高频开关振荡电路峰值i
g-peak
折算到额定工况下栅极高频开关振荡电路峰值i
g-peak_com
，实现工况补偿。
[0064]
步骤s5，老化状态评估：根据运行工况补偿过后的栅极高频开关振荡电路峰值i
g-peak_com
参数，对sic mosfet老化状态进行评估。当i
g-peak’随时间而发生趋势性改变时，可以判定其发生老化，并可根据变化的比例来定量评估器件老化的状态。
[0065]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种sic mosfet在线状态监测方法，其特征在于，包括如下步骤：以非接触方式采集sic mosfet栅极回路的开关电流振荡信号，并提取用于状态监测的幅值信息；获取sic mosfet的运行参数信息，基于预先标定好的sic mosfet栅极高频开关振荡电路峰值的运行特性，对所述幅值信息进行工况补偿，得到补偿后的额定工况下栅极高频开关振荡电路峰值；基于额定工况下栅极高频开关振荡电路峰值，评估器件老化的程度。2.根据权利要求1所述的一种sic mosfet在线状态监测方法，其特征在于，基于所述开关电流振荡信号，通过高频峰值检测与信号采样得到所述用于状态监测的幅值信息。3.根据权利要求1所述的一种sic mosfet在线状态监测方法，其特征在于，所述的运行参数信息包括直流电压、电流、温度中的至少一个。4.根据权利要求1所述的一种sic mosfet在线状态监测方法，其特征在于，所述的评估器件老化的程度具体为：通过对比本次测量得到的栅极高频开关振荡电路峰值以及历史测量栅极高频开关振荡电路峰值，定量评估器件老化的程度。5.根据权利要求1所述的一种sic mosfet在线状态监测方法，其特征在于，通过非接触高频开关电流振荡传感器从sic mosfet栅极回路中采集所述开关电流振荡信号。6.根据权利要求5所述的一种sic mosfet在线状态监测方法，其特征在于，所述的高频开关电流振荡传感器的带宽为1mhz-30mhz。7.一种sic mosfet在线状态监测系统，其特征在于，包括：栅极高频开关电流振荡捕捉模块，包括设置在sic mosfet栅极回路的高频振荡电路传感器，用于以非接触方式在线捕获开关电流振荡信号；振荡幅值特征提取模块，用于基于所述开关电流振荡信号，取出用于sic mosfet状态监测的幅值信息；运行工况补偿模块，用于采集运行参数信息，基于预先标定好的sic mosfet栅极高频开关振荡电路峰值的运行特性，对所述幅值信息进行工况补偿，得到补偿后的额定工况下栅极高频开关振荡电路峰值；老化状态评估模块，用于基于额定工况下栅极高频开关振荡电路峰值，定量评估器件老化的程度。8.根据权利要求7所述的一种sic mosfet在线状态监测系统，其特征在于，所述的振荡幅值特征提取模块包括高频峰值检测模拟电路与信号采样数字电路。9.一种电子设备，其特征在于，包括：一个或多个处理器以及存储器，所述存储器内储存有一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于执行如权利要求1-6任一所述sic mosfet在线状态监测方法的指令。10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，包括供电子设备的一个或多个处理器执行的一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于执行如权利要求1-6任一所述sic mosfet在线状态监测方法的指令。

技术总结
本发明涉及一种SiC MOSFET在线状态监测方法和系统，方法包括如下步骤：以非接触方式采集SiC MOSFET栅极回路的开关电流振荡信号，并提取用于状态监测的幅值信息；获取SiC MOSFET的运行参数信息，基于预先标定好的SiC MOSFET栅极高频开关振荡电路峰值的运行特性，对所述幅值信息进行工况补偿，得到补偿后的额定工况下栅极高频开关振荡电路峰值；基于额定工况下栅极高频开关振荡电路峰值，评估器件老化的程度。与现有技术相比，本发明具有灵敏度高、安全性高等优点。安全性高等优点。安全性高等优点。


技术研发人员：李豪 田鑫 向大为 成芮俊杰
受保护的技术使用者：上海电力大学
技术研发日：2023.06.30
技术公布日：2023/8/9