[发明专利]非接触式的碳化硅功率器件结温在线检测系统及检测方法

说明书

本发明公开了一种非接触式的碳化硅功率器件结温在线检测系统及检测方法。通过温控单元控制碳化硅功率器件按照设定的工作温度工作，通过驱动单元控制碳化硅功率器件工作，使电流从碳化硅功率器件的寄生体二极管流过，产生电致发光现象；检测获得碳化硅功率器件的工作温度、导通电流和发光光强，建立函数模型；根据函数模型对待测情况进行检测计算得到碳化硅功率器件的工作结温。本发明通过检测碳化硅功率器件的杂质或缺陷能级的发光强度来推导结温，实现了非接触式的测量，具备固有电气隔离的特点，特别适用于工作在高温高压大电流应用场合的碳化硅功率器件的在线结温检测，具有较高的精度和实时性。

技术领域

本发明属于电力电子器件检测技术领域的一种碳化硅功率器件检测系统和方法，具体涉及一种非接触式的碳化硅功率器件结温在线检测系统及检测方法。

背景技术

以碳化硅为代表的第三代半导体材料具有禁带宽度高、热导率高、击穿场强高等特点，成为高压、高温和高频功率器件的优选材料。然而，优异的碳化硅材料特性带来芯片厚度更薄、面积更小的同时，也带来了热聚集效应更强、电流密度更高且短路耐受时间更短等更为严峻的热可靠性问题。因此，碳化硅功率器件的芯片温度(结温)检测对于保障其可靠运行有着重要意义。

传统的结温提取方法主要可以分为四类：(1)利用红外成像仪之类的设备测量器件表面的红外辐射，获得器件表面整体的温度分布情况；(2)热阻网络法，通过建立器件的热阻抗网络模型，结合功率损耗，利用数学计算就可以实时地反推预测出模块内部的温度分布情况；(3)将热敏元件如具有负温度系数的热敏电阻安装在封装中接近功率芯片的位置，从而能够间接测量芯片温度；(4)热敏感电参数法根据芯片内部物理参数与温度的映射关系，通过测量对温度敏感性强的电气参数来反推芯片的结温水平。

由于高速热成像仪价格昂贵且温度数据的提取速度很慢，只适用于稳态温度的测量，且需要对器件表面做特殊处理，不适合碳化硅功率器件在运行过程中的结温提取。随着碳化硅功率器件的长时间运行，器件封装的老化会导致热阻抗网络模型的参数与实际产生显著差异，从而严重影响热阻网络法对碳化硅功率器件结温预测的准确度。而安装热敏元件的间接测量方法，只能测试器件基板或芯片附近的温度，不能准确反映碳化硅功率器件在运行过程中的实际结温情况，且温度测试响应时间较长，不适合开关速度在μs级的高频碳化硅功率器件的在线结温检测。热敏感电参数法被认为是最有效的检测功率器件瞬态温度变化的方法，该方法可以检测μs级的开关功率器件的结温变化，然而现有的大多数热敏感电参数法只适用于硅基功率器件的结温检测，对于工作在高击穿电场、大瞬变电流、强磁场变化下的碳化硅功率器件，传统热敏感电参数法所配套的后级采样/调理电路难以直接满足其电压等级要求，且所需的隔离和抗干扰措施也更加难以设计。

因此，纵观电力电子器件结温检测技术的最新进展，均难以直接适用于高温高压应用场合下碳化硅功率器件的结温提取。有鉴于此，本发明基于对碳化硅功率器件热敏感光参数的研究，通过检测碳化硅功率器件的发光光强，实现了一种具备固有电气隔离的非接触式的碳化硅功率器件结温检测方法。

功率级碳化硅由于场致发光效应(Electro Luminescence Effect)能够发出可见光。场致发光也被称为电致发光，是将电能转化成光能的一种固态发光现象。根据相关辐射复合理论，功率级碳化硅SiC-4H中的发光机理主要有直接带间复合和杂质/缺陷深能级复合，其中电子在导带和价带间直接跃迁导致非平衡载流子的复合过程为直接带间复合，而非平衡载流子通过半导体中的杂质/缺陷在禁带中形成的深能级复合中心复合的过程就是杂质/缺陷深能级复合。