一种半导体开关器件的工作结温监测系统和方法技术方案

本发明专利技术涉及一种半导体开关器件工作结温监测系统、监测方法及过温保护方法。所述监测系统包括控制单元、驱动单元、电压检测单元和模数转换单元；其中，驱动单元与半导体开关器件的栅极连接；电压检测单元的第一采集端口、第二采集端口分别与半导体开关器件的栅极、源极连接，用来获取栅极电压并输出给模数转换单元；模数转换单元用来将所述栅极电压转化为数字信号，生成栅极电压数据输出给控制单元；控制单元对电压数据进行分析得到关断米勒平台电压，进一步分析得到半导体开关器件的结温。本发明专利技术能够快速准确的监测半导体开关器件工作结温，并为该开关器件提供过温保护，能够有效防止器件烧毁，保证器件所在电路系统安全稳定的工作。定的工作。定的工作。

【技术实现步骤摘要】
一种半导体开关器件的工作结温监测系统和方法


[0001]本专利技术涉及半导体开关器件的结温检测
，特别是涉及一种半导体开关器件的工作结温监测系统、监测方法及过温保护方法。

技术介绍

[0002]SiC MOSFET作为第三代宽禁带功率半导体器件，与传统Si
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IGBT相比，具有开关速度快，击穿电压高，耐高温，封装紧凑，电流密度大等优点，正在广泛应用于高频高压功率变换器领域，如电动汽车，光伏逆变，轨道交通等。与此同时，SiC MOSFET较快的开关速度和较大的电流密度，然而大功率逆变器MOSFET工作的时候，发热量非常大，如果MOSFET散热效果不好，温度过高就可能导致MOSFET的烧毁，进而可能导致整个电路板的损毁。
[0003]监测结温的方法分为物理接触法、光学法、热模型法和热敏电参数(TSEP)法四类。物理接触法是指通过内置热电偶或热敏电阻来直接测量温度，该方法误差较大，响应速度较慢，可能会对设备造成损坏，不适合在线监测。光学方法可以通过热红外敏感带电耦合器件对物体进行成像，从而反映物体表面的温度场，该器件精度高，但成本太高，难以实际应用。热模型的方法是在已知功率损失和热阻网络模型的情况下，通过有限元模拟计算内部结温度，该方法精确度不高。热敏感电参数方法是指利用MOSFET的部分电气外部特性来反映结的温度，相比之下，TSEP方法具有较高的方便性、可行性和准确性。
[0004]工业市场上含过温保护功能的智能功率模块IPM，采用内置热电偶于绝缘基板，通过监测IPM基板温度判断功率芯片结温，控制驱动芯片是否正常工作，其缺点误差较大，响应速度较慢。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是提供一种半导体开关器件的工作结温监测系统、监测方法及过温保护方法，能够快速准确的监测半导体开关器件工作结温，并为该开关器件提供过温保护。
[0006]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种半导体开关器件的工作结温监测系统，包括控制单元、驱动单元、电压检测单元和模数转换单元；所述驱动单元与半导体开关器件的栅极连接，用来根据所述控制单元发出的信号驱动所述半导体开关器件的开通和关断；所述电压检测单元的第一输入端口、第二输入端口分别与所述半导体开关器件的栅极、源极连接，用来获取所述半导体开关器件的栅极电压并输出给所述模数转换单元；所述模数转换单元用来将所述栅极电压转化为数字信号，生成栅极电压数据输出给所述控制单元；所述控制单元对所述栅极电压数据进行分析得到关断米勒平台电压，并根据所述关断米勒平台电压分析得到所述半导体开关器件的结温，所述关断米勒平台电压为所述半导体开关器件在关断过程中的米勒平台电压。
[0007]进一步的，所述电压检测单元包括第一电阻，所述第一电阻的第一引脚与所述半导体开关器件的栅极连接，所述第一电阻的第二引脚与第一缓冲放大电路的输入端口、第
二电阻的第一引脚连接，所述第二电阻的第二引脚与所述半导体开关器件的源极、差分放大电路的第二输入端口连接，所述第一缓冲放大电路的输出端口与差分放大电路的第一输入端口连接，所述差分放大电路的输出端口与所述模数转换单元的输入端口连接。
[0008]进一步的，所述电压检测单元还包括第三电阻和第二缓冲放大电路；所述第三电阻置于所述第二电阻的第二引脚与所述半导体开关器件的源极之间，所述第二缓冲放大电路置于所述第二电阻的第二引脚与所述差分放大电路的第二输入端口之间，所述第二缓冲放大电路的输入端口与所述第二电阻的第二引脚、所述第三电阻的第一引脚连接，所述第二缓冲放大电路的输出端口与所述差分放大电路的第二输入端口连接。
[0009]进一步的，所述第一、第二缓冲放大电路是负端与输出相连接的运算放大电路。
[0010]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：还提供一种半导体开关器件的工作结温监测方法，所述方法应用于如上所述的任一种半导体开关器件工作结温监测系统，包括以下步骤：
[0011]生成开关信号，驱动半导体开关器件进入开通和关断过程；
[0012]获取所述半导体开关器件在关断过程中的栅极电压数据，基于所述栅极电压数据分析得到关断米勒平台电压；
[0013]根据所述关断米勒平台电压同温度的比对关系分析得到所述半导体开关器件的结温。
[0014]进一步的，所述获取所述半导体开关器件在关断过程中的栅极电压数据，包括以下步骤：
[0015]监视所述开关信号，当使得所述半导体开关器件进入关断状态的变化沿到来时，生成预设宽度的分析使能信号；
[0016]当所述分析使能信号有效时，读取栅极电压数据，所述栅极电压数据为所述半导体开关器件的栅极电压经模数转换单元转换后得到的数字信号。
[0017]进一步的，所述分析使能信号的预设宽度为，能够使所述模数转换单元完成对关断栅极电压的模数转换的最小时长，所述关断栅极电压为所述半导体开关器件在关断过程中的栅极电压。
[0018]进一步的，所述基于所述栅极电压数据分析得到关断米勒平台电压，包括以下步骤：
[0019]根据所述栅极电压数据计算得到电压降低速率；
[0020]当所述电压降低速率由快变慢再由慢变快时，计算得到所述关断米勒平台电压为所述电压降低速率变慢时的所述栅极电压数据的平均值。
[0021]进一步的，所述基于所述栅极电压数据分析得到关断米勒平台电压，包括以下步骤：
[0022]依时序对所述栅极电压数据进行计数；
[0023]设置第N个所述栅极电压数据为关断米勒平台电压，其中N是通过分析实际检测结果得到的预估值。
[0024]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：还提供一种半导体开关器件的过温保护方法，其特征在于，所述方法应用于如上所述的任一种半导体开关器件工作结温监测系统，包括以下步骤：
[0025]生成开关信号，驱动半导体开关器件进入开通和关断过程；
[0026]获取所述半导体开关器件在关断过程中的栅极电压数据，基于所述栅极电压数据分析得到关断米勒平台电压；
[0027]当所述关断米勒平台电压小于预设的过温标准电压值时，控制所述半导体开关器件在预设时间内保持关断。
[0028]有益效果
[0029]由于采用了上述的技术方案，本专利技术与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本专利技术选择基于关断米勒电压进行结温监测，避免了开通米勒电压不稳定和持续时间短的问题，减小了采样误差，降低了采样难度。本专利技术选择使用全差分放大电路来采集半导体开关器件的栅极电压，并根据电压值下降速率来判断采集到的栅极电压是否为米勒平台电压，不需要设置参考电压，在排除人为因素的同时降低了温度的影响，提高了监测系统的精度。
附图说明
[0030]图1是SiC MOSFET栅极电压随温度变化的波形图；
[0031]图2是本专利技术的结构示意图；
[0032]图3是本专利技术第一种实施方式的电路图之一；
[0033]图4是本专利技术第一种实施方式本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种半导体开关器件的工作结温监测系统，其特征在于，包括控制单元、驱动单元、电压检测单元和模数转换单元；所述驱动单元与半导体开关器件的栅极连接，用来根据所述控制单元发出的信号驱动所述半导体开关器件的开通和关断；所述电压检测单元的第一输入端口、第二输入端口分别与所述半导体开关器件的栅极、源极连接，用来获取所述半导体开关器件的栅极电压并输出给所述模数转换单元；所述模数转换单元用来将所述栅极电压转化为数字信号，生成栅极电压数据输出给所述控制单元；所述控制单元对所述栅极电压数据进行分析得到关断米勒平台电压，并根据所述关断米勒平台电压分析得到所述半导体开关器件的结温，所述关断米勒平台电压为所述半导体开关器件在关断过程中的米勒平台电压。2.根据权利要求1所述的半导体开关器件的工作结温监测系统，其特征在于，所述电压检测单元包括第一电阻，所述第一电阻的第一引脚与所述半导体开关器件的栅极连接，所述第一电阻的第二引脚与第一缓冲放大电路的输入端口、第二电阻的第一引脚连接，所述第二电阻的第二引脚与所述半导体开关器件的源极、差分放大电路的第二输入端口连接，所述第一缓冲放大电路的输出端口与差分放大电路的第一输入端口连接，所述差分放大电路的输出端口与所述模数转换单元的输入端口连接。3.根据权利要求2所述的半导体开关器件的工作结温监测系统，其特征在于，所述电压检测单元还包括第三电阻和第二缓冲放大电路，所述第三电阻置于所述第二电阻的第二引脚与所述半导体开关器件的源极之间，所述第二缓冲放大电路置于所述第二电阻的第二引脚与所述差分放大电路的第二输入端口之间，所述第二缓冲放大电路的输入端口与所述第二电阻的第二引脚、所述第三电阻的第一引脚连接，所述第二缓冲放大电路的输出端口与所述差分放大电路的第二输入端口连接。4.根据权利要求2或3所述的半导体开关器件的工作结温监测系统，其特征在于，所述第一、第二缓冲放大电路是负端与输出相连接的运算放大电路。5.一种半导体开关器件的工作结温监测方法，其特征在于，所述方法应用于如权利要求1
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4所述任一种半导体开关器件的工作结温监测系统，包括以下步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：程新红，全宇华，郑理，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：