用于基于开尔文端子的SiC功率MOSFET器件键合线状态监测方法

本发明涉及信号处理，尤其涉及sic功率mosfet器件监测，具体涉及一种用于基于开尔文端子的sic功率mosfet器件键合线状态监测方法及电路。

背景技术：

1、随着航空航天、光伏发电和电动汽车等技术的快速进步，电力电子装置也朝着高电压、大功率的方向发展，实现其功能的基础是使用高可靠性的功率器件。然而，传统的硅(si)基器件受材料特性的制约很难有大幅的性能提升，因此，目前以碳化硅(sic)、氮化镓(gan)等材料为衬底的功率器件被更多的应用在高电压、大电流的场合。sic器件作为第三代宽禁带半导体器件的代表，具有耐高温、开关损耗低和耐高压等优良的特性，可以代替si基器件实现更高的功率密度和效率，且适合应用于强辐射、高电压和高温的恶劣环境中。

2、sic功率mosfet器件的封装，是键合线通过超声键合、热超声键合、热压键合等工艺焊接在sic功率mosfet上，使器件与芯片、芯片与芯片电气连接。由于键合线的材料与芯片的材料热膨胀系数不同，当温度不断变化时，键合线与芯片间产生机械应力，使键合线发生纹裂甚至脱落，这是导致键合线失效的最主要原因。键合线的断裂是一种故障率很高的封装级失效，常以渐变故障形式出现，因此利用器件健康状态监测技术可以达到系统保护和提前预测的目的。

3、目前关于sic功率mosfet器件的键合线状态监测的研究欠缺，基于电气特性的监测方法，通过实时监测端部电气特性参数的变化，可以有效的实现sic功率mosfet器件键合线故障的状态监测。例如，使用sic mosfet开通过程中，开尔文源极与功率源极之间的电压振荡峰值和电路寄生电感的电压振荡峰值之比的变化，来表征sic mosfet键合线健康状态。但该方法在采集瞬态高频信号时易受环境中的电磁或噪声干扰，且只能在工作状态下测量。或者将sic mosfet开通稳态时的开尔文源极和功率源极之间的电压降用于监测sicmosfet键合线健康状态，但是由于键合线的寄生电阻很小，该方法需要在较大的漏极电流情况下才能采集到对应的电压。因此要想准确实现状态监测需要全方位考虑和综合评价，实现难度较大。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有元器件监测技术无法高效、准确的对sic功率mosfet器件的键合线状态进行监测的技术问题，而提出的一种用于基于开尔文端子的sic功率mosfet器件键合线状态监测方法及电路。

2、为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

3、用于基于开尔文端子的sic功率mosfet器件键合线状态监测方法，它包括以下步骤：

4、步骤1：获得高频恒定电压信号vcnt，并对高频恒定电压信号vcnt经过信号处理、压流转换获得高频恒定周期变化的脉动电流iinj；

5、步骤2：将所获得的高频恒定周期变化的脉动电流iinj输入sic功率mosfet器件的开尔文源极；

6、步骤3：对开尔文源极和功率源极两端电压vks_s的峰值进行监测。

7、若电压vks_s的峰值有增大的趋势，则进一步监测并通过vks_s的峰值增大程度判断键合线断裂根数，并根据监测情况决定是否更换键合线已明显劣化的sic功率mosfet器件，以保证器件所在系统的可靠运行。

8、在步骤1中，以微处理器产生的高频恒定电压信号vcnt作为输入，通过信号处理模块对所给定的高频恒定电压信号vcnt进行比例放大后，输出给压流转换模块，压流转换模块输出高频恒定周期变化的脉动电流iinj。

9、所述信号处理模块包括运算放大器a1、电阻r2、电阻r3、电阻r4；

10、电阻r2一端连接运算放大器a1的反相输入端，电阻r2另一端连接运算放大器a1的输出端；电阻r3一端连接运算放大器a1的反相输入端，电阻r3另一端连接接地端；电阻r4一端连接运算放大器a1的同相输入端，电阻r4另一端连接微处理器的信号输出端以获得高频恒定电压信号vcnt；

11、所述压流转换模块包括运算放大器a2、电阻r1、pnp三极管t1、直流电压源vaux；

12、电阻r1一端连接直流电压源vaux，电阻r1另一端同时与pnp三极管t1的发射极、运算放大器a2的反相输入端相连；运算放大器a2的同相输入端连接运算放大器a1的输出端，运算放大器a2的输出端连接pnp三极管t1的基极；pnp三极管t1的集电极连接sic功率mosfet器件的开尔文源极；

13、通过调控电压源vaux输出的直流电压、pnp三极管t1的发射极电压以及电阻r1，产生监测时所需的高频恒定周期变化的脉动电流iinj。

14、在步骤3中，通过峰值监测模块对开尔文源极和功率源极两端电压vks_s的峰值进行监测；

15、所述峰值监测模块包括运算放大器a3、运算放大器a4、二极管d1、电容c1；

16、运算放大器a3的同相输入端连接pnp三极管t1的集电极，运算放大器a3的反相输入端连接二极管d1的阴极，运算放大器a3的输出端连接二极管d1的阳极；电容c1一端连接二极管d1的阴极，电容c1另一端连接接地端；运算放大器a4的同相输入端连接二极管d1的阴极，运算放大器a4的反相输入端连接运算放大器a4的输出端；运算放大器a4的输出端输出两端电压vks_s。

17、用于基于开尔文端子的sic功率mosfet器件键合线状态监测电路，包括微处理器、高频脉动恒流源监测电路、峰值监测模块、具有开尔文端子的sic功率mosfet器件；

18、微处理器的信号输出端与信号处理模块的信号输入端连接，信号处理模块的信号输出端与压流转换模块的信号输入端连接，压流转换模块的信号输出端与分别与峰值监测模块的信号输入端以及具有开尔文端子的sic功率mosfet器件的开尔文源极连接。

19、所述微处理器，用于提供高频恒定电压信号，控制高频脉动恒流源输出电流的频率、大小；

20、高频脉动恒流源监测电路，包括信号处理模块和压流转换模块，用于向源极键合线注入高频恒定周期变化的脉动电流；连接在开尔文源极和功率源极之间，通过微处理器控制其开通和关断；

21、峰值监测电路，用于监测与高频恒定周期变化的脉动电流iinj对应的开尔文源极和功率源极之间的电压vks_s的峰值。

22、所述信号处理模块包括运算放大器a1、电阻r2、电阻r3、电阻r4；

23、电阻r2一端连接运算放大器a1的反相输入端，电阻r2另一端连接运算放大器a1的输出端；电阻r3一端连接运算放大器a1的反相输入端，电阻r3另一端连接接地端；电阻r4一端连接运算放大器a1的同相输入端，电阻r4另一端连接微处理器的信号输出端以获得高频恒定电压信号vcnt；

24、所述压流转换模块包括运算放大器a2、电阻r1、pnp三极管t1、直流电压源vaux；

25、电阻r1一端连接直流电压源vaux，电阻r1另一端同时与pnp三极管t1的发射极、运算放大器a2的反相输入端相连；运算放大器a2的同相输入端连接运算放大器a1的输出端，运算放大器a2的输出端连接pnp三极管t1的基极；pnp三极管t1的集电极连接sic功率mosfet器件的开尔文源极；

26、通过调控电压源vaux输出的直流电压、pnp三极管t1的发射极电压以及电阻r1，产生监测时所需的高频恒定周期变化的脉动电流iinj。

27、峰值监测模块包括运算放大器a3、运算放大器a4、二极管d1、电容c1；

28、运算放大器a3的同相输入端连接pnp三极管t1的集电极，运算放大器a3的反相输入端连接二极管d1的阴极，运算放大器a3的输出端连接二极管d1的阳极；电容c1一端连接二极管d1的阴极，电容c1另一端连接接地端；运算放大器a4的同相输入端连接二极管d1的阴极，运算放大器a4的反相输入端连接运算放大器a4的输出端；运算放大器a4的输出端输出两端电压vks_s。

29、sic功率mosfet器件键合线含有寄生电感，键合线缺陷会导致其阻抗增大。随着施加的交变监测信号频率的增大，开尔文源极和功率源极之间寄生电感效应增强。故可通过向开尔文源极和功率源极之间施加高频监测信号，根据开尔文源极和功率源极之间的感应的信号的变化来评估当前sic功率mosfet器件的键合线失效情况。

30、该方法只需测量对应电压，不需要测量源极电流等其他参数，且特征参量为稳态量，特征参数易于提取，监测电路易于集成；且特征参量与键合线失效程度关系直观明显，无需复杂的数据处理，降低监测成本。此外，该方法在器件关断状态下实现监测，具有实时在线监测的潜力。

31、与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

32、1)通过外加高频脉动电流源监测sic功率mosfet键合线状态，可在器件关断状态下实现监测，具有实时在线监测的潜力；基于开尔文封装结构的特性，在开尔文源极和功率源极之间进行监测，其特征参量的变化只反应键合线的失效情况，不受其他老化类型的影响。

33、2)通过外加高频脉动电流源，突出放大键合线寄生电感的效应，实现对键合线缺陷的监测。该方法只需测量对应电压，不需要测量源极电流等其他参数，特征参数易于提取，监测电路易于集成；且特征参量与键合线失效程度关系直观明显，无需复杂的数据处理，降低监测成本。此外，该方法不受源极电流等功率回路参数和驱动回路的影响，具有在线监测的潜力。

34、3)所提监测参量的变化可以直观地反映失效键合线的数目，反映键合线的失效进程，这有利于精简电路结构提高可靠性。同时，该方法有助于了解器件的最大工作寿命、保证系统的可靠运行和经济效益最大化。