一种应用于SiCMOSFET结温预测的高精度漏源电压检测电路

本发明属于电力电子技术与电工，尤其涉及一种应用于sic mosfet结温预测的高精度漏源电压检测电路。

背景技术：

1、尽管sic材料具有更加优良的热特性，但传统封装散热的局限性及sic材料较高的热导率，将迫使sic mosfet在运行过程中承受更大的热应力。过大的热应力可能导致sicmosfet内部键合线脱落与焊料层破裂，进而造成整个模块失效损坏。结温是sic mosfet热性能的主要表征量，且结温预测是sic mosfet热管理、状态检测和寿命预测的先决条件，故研究sic mosfet结温的精确估计方法非常重要，对结温进行精准预测和提取是sic mosfet器件应用中需要攻克的技术难题。

2、目前结温测量方法大体上可以分为物理接触法、光学法、热网络法和温敏电参数法四大类。温敏电参数法是利用器件本身作为温度传感器，建立内部电气参数与芯片结温之间的关系，通过测量电气参数来获得结温的方法，无需改变模块封装结构且响应速度快，具有原理简单、响应迅速、在线测量、无损器件封装等优势。导通电阻作为温敏电参数具有线性度好、灵敏度高和响应速度快等优点，广泛应用于功率器件结温的在线提取。

3、为了获得sic mosfet通态电阻(rdson)，需要实时准确测量其漏极电流(id)和通态电压(vdson)。与id相比，vdson的测量需要解决更多的问题，即高精度、工作温度(tw)的影响以及高断态电压。电流传感器或霍尔传感器均可以用于在线准确测量sic mosfet漏极电流，因此在线rdson准确测量的关键是在线通态电压(vdson)的准确测量。在sic mosfet的开通期间，vdson电平很低(例如0.036-2.5v)，可以很容易地用示波器测量。然而，当sic mosfet进入关断状态时，其漏源极端子会出现高直流母线电源电压(例如270v)。由于测量精度受限于传统数字示波器的模数转换器(adc)位，这种高电压可能超过所用示波器的测量范围，无法保证对sic mosfet通态压降的精确测量。且测量是在线进行的，所以在sic mosfet的关断状态期间，必须使用漏源极电压钳位电路将这种高关断状态电压钳位到较低的值以保证对通态电压的精确测量。

4、本专利针对sic mosfet结温预测传统漏源电压检测电路误差大精度不高以及开通关断过程中出现的电压尖峰等问题提出一种新型的高精度漏源电压检测电路。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种应用于sic mosfet结温预测的高精度漏源电压检测电路，该电路考虑了sic mosfet的寄生参数，通过反向并联快恢复二极管来抑制开通瞬间漏源电压峰值，提高漏源电压测量电路的可靠性与测量精度，并通过使用三端可调稳压器与电阻器串联形成电流源，在第一电流固定的条件下，通过调整第二电流来确保相同的两个二极管两端电压相等，减小因为二极管两端差而导致的导通电压误差，能够有效解决二极管伏安特性不一致的问题，提高测量精度。有效解决sic mosfet结温预测传统漏源电压检测电路误差大精度不高以及开通关断过程中出现的电压尖峰等问题。

2、本发明为实现上述目的采用如下技术方案：

3、一种应用于sic mosfet结温预测的高精度漏源电压检测电路，该电路包括考虑寄生参数的sic mosfet等效电路，sic mosfet的漏源极连接高精度漏源电压检测电路，包括sic mosfet漏源极的寄生电感ld(int)与ls(int)，电流源i1、i2，运算放大器op1、op2、op3，钳位分支，高压二极管d1、d2与快恢复二极管d0；sic mosfet的漏极连接d1的负极，d1的正极连接钳位分支的正极与快恢复二极管d0的负极，同时与op1的正极相连；d2的正极连接第二运算放大器op2的正极，d2的负极连接第三运算放大器op3，op2为电压跟随器，op1的输出端通过电阻r1、r2与op2的输出端连接，以此得出v3与v1、v2的关系，该漏源电压检测值v3为op1的输出端与地之间压差；op3为电压跟随器，连接于d1、d2之间，隔离前后级电路电流，电流源i1、i2分别提供前后级电路电流，快恢复二极管d0反向并联于op3的同相输入，与第一高压二极管d1的正极连接，当出现反向超调电压时，二极管d0提供低阻抗分支。本技术通过将一个快恢复二极管d0反向并联于运放器的同相输入，当出现反向超调电压时，二极管d0可以自动连接到电路，提供低阻抗分支，降低运放器同相输入中电压超调的绝对值。

4、进一步的，高压二极管d1、d2、d3选择具有稳定伏安特性和小寄生电容的耐高压二极管，以保证该电路的准确性。其目的是在流过相同大小的电流时使二极管电压降相等，并阻断sic mosfet的关闭状态电压，固定第一电流i1大小，通过调整第二电流i2来确保二极管压降vd1、vd2、vd3大小相等。dclamp和d0选择快恢复二极管，以保证该电路的响应速度。

5、进一步的，钳位二极管dclamp由相同的快恢复二极管串联组成，并与耐高压二极管d3串联。选择快恢复二极管d0与钳位分支反向并联连接，用来抑制sic mosfet在接通瞬态过程中产生的反向电压峰值以及夹紧二极管dclamp与d3的反向恢复电压。同时钳位二极管电压vdclamp必须高于sic mosfet漏源导通电压vds(on)。如果vdclamp小于vds(on)，当sic mosfet从关断状态切换到导通状态时，由dclamp和d3组成的钳夹分支与d1共享电流i1，导致流过d1的电流小于i1，导致vd1小于vd2，输出电压不等于vds(on)，造成测量误差。

6、进一步的，检测电路还包括第一三端可调稳压器，将直流电压电源vcc1添加到稳压器的vin引脚，由vcc1与第一三端可调稳压器组成的稳压电路与第三电阻r3串联形成电流源i1，第一三端可调稳压器vout和adj两引脚间电压为一恒定值vo，通过设置电阻r3的大小来固定电流i1的大小，电流i1的大小设置为sic mosfet额定电流的0.1％-1％，以避免由于从测量电路将电流i1注入到sic mosfet中而产生的自热效应。

7、进一步的，检测电路还包括第二三端可调稳压器，将直流电压电源vcc2添加到稳压器的vin引脚，进入该引脚的电压必须大于它输出的电压，即vcc2＞vo，稳压器只是将电压调节到一定水平的设备，但不会也不能自行产生电压，因此稳压电路的输入电压必须大于它的输出电压。由vcc2与第二三端可调稳压器组成的第二三端可调稳压器稳压电路电阻r6串联形成电流源i2，adj引脚连接可调电阻r5，vout与adj引脚之间连接r4，滤波电容c1连接于电阻r4、r5的两端，第二三端可调稳压器vout和adj两引脚间电压为一恒定值vo。通过调整电阻r4和r5的大小来调节稳压电路的输出电压，进而调节电流i2，

8、本发明还公开了一种应用于sic mosfet结温预测的高精度漏源电压检测电路的检测方法，在sic mosfet开通期间，检测电路测得电压v3为漏源极导通电压，在sic mosfet关断期间，检测电路测得电压v3为钳位二极管压降，将高关断状态电压钳位到较低的值来减小电压测量值的跨度，以保证对通态电压的精确测量。并通过设置快恢复二极管d0提供低阻抗分支，来降低sic mosfet状态切换时运放器同相输入中电压超调的绝对值，提高测量精度。

9、进一步的，在sic mosfet处于导通状态时，由于钳位分支电压vdclamp高于漏源极导通电压vds(on)，所以该阶段电流i1只通过耐高压二极管d1与sic mosfet，v1点的电位为耐高压二极管d1压降与sic mosfet的漏源电压之和，电流i2只通过耐高压二极管d2，v2点的电位为耐高压二极管d2压降与v1点电压之和，v3为该漏源电压检测电路所测得的电压。与运算放大器op1与op2相连接的电阻r1、r2阻值大小相等，由运算放大器op1与op2的虚短虚断特性可推得v1、v2、v3关系为：

10、v3-v1＝v1-v2

11、代入各点电位可得：

12、v3＝2v1-v2＝v1-vd2＝vds(on)+vd1-vd2

13、式中v1、v2、v3为图2中标注点电位，vd1、vd2分别为此时耐高压二极管d1、d2两端电压，vds(on)为sic mosfet的导通压降。d1、d2选择相同的耐高压二极管，使其具有相似的伏安特性，通过调整电流源电流i1与i2使vd1恒等于vd2，则可确保v3＝vds(on)。

14、进一步的，在sic mosfet处于关断状态时，该阶段电流i1只通过钳位分支，v1点的电位为耐高压二极管d3压降vd3与钳位二极管压降vdclamp之和，电流i2只通过耐高压二极管d2，v2点的电位为耐高压二极管d2压降与v1点电压之和，v3为该漏源电压检测电路所测得的电压。与运算放大器op1与op2相连接的电阻r1、r2阻值大小相等，由运算放大器op1与op2的虚短虚断特性可推得v1、v2、v3关系为：

15、v3-v1＝v1-v2

16、代入各点电位可得：

17、v3＝2v1-v2＝v1-vd2＝vdclamp+vd3-vd2

18、式中v1、v2、v3为图3中标注点电位，vd2、vd3分别为此时耐高压二极管d2、d3两端电压，vdclamp为钳位二极管电压降。d2、d3选择相同的耐高压二极管，使其具有相似的伏安特性，通过调整电流源电流i1与i2使vd2恒等于vd3，则可确保v3＝vdclamp。

19、进一步的，通过将快恢复二极管d0反向并联于运放器的同相输入端，当出现反向超调电压时，二极管d0可以自动连接到电路，提供低阻抗分支，降低运放器同相输入中电压超调的绝对值。

20、进一步的，通过第二三端可调稳压器稳压电路与电阻r6串联形成电流源i2，该电路中将直流电压电源添加到稳压器的vin引脚，进入该引脚的电压必须大于它输出的电压。稳压器只是将电压调节到一定水平的设备，但不会也不能自行产生电压，因此稳压电路的输入电压必须大于它的输出电压。c1为滤波电容，第二三端可调稳压器vout和adj两引脚间电压为一恒定值vo，通过调整电阻r4和r5的大小来调节稳压电路的输出电压，进而调节电流i2。

21、

22、本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

23、(1)通过使用多个串联二极管作为钳位分支，以避免电路中传统钳位分支分流以及使用齐纳二极管时由于泄漏电流引起的测量误差，提高测量精度；

24、(2)针对运放器同相输入端出现显著的电压超调，芯片可能会损坏，电路的可靠性较低，且输出波形存在较大的电压峰值等问题。通过反向并联快恢复二极管来抑制开通瞬间漏源电压峰值，提高漏源电压测量电路的可靠性与测量精度；

25、(3)针对传统测量电路中较难实现两个二极管的压降相同并且抵消，导致测量误差较大等问题。通过使用三端可调稳压器与电阻器串联形成电流源，在第一电流固定的条件下，通过调整第二电流来确保相同的两个二极管两端电压相等，减小因为二极管两端差而导致的导通电压误差，能够有效解决二极管伏安特性不一致的问题，提高测量精度。