與硅 (Si) 相比，碳化硅 (SiC) 為電源轉換器設計提供了功率和強度，并增加了高功率密度和效率 。近年來，已經觀察到 SiC 的時間故障率降低，現在可與 Si 相媲美。預計柵極氧化物會發生降解，這是限制 SiC 在軍事應用、運輸和制造業 中廣泛使用的一個問題。通過指示可通過監控 SiC MOSFET 來檢查的即將發生的故障，可以輕松防止基于 SiC 的功率轉換器中的災難性故障 。根據實際測量的柵極電流計算柵極漏電流是一項挑戰。柵極電容器的充電和放電瞬態過程支配著柵極電流。電感器引入了二階振鈴，這使得計算過程更加復雜。上述挑戰的解決方案是引入一種用于測量柵極電荷的原位方法。柵極電阻上的差分電壓和柵極電流相互成比例，而每個 SiC 器件上的電壓由圖 1 中的監控電路跟蹤。

圖 1：監控電路

老化檢測

圖 2 所示為 SiC MOSFET 老化檢測電路。目標是獲得在一段時間內以某種方式設法泄漏并進入 MOSFET 柵極的電荷總量。柵極漏電流由傳感電路通過測量外柵極電阻 Rg 兩端的電壓 Vrg 來計算。

圖2：老化檢測電路

針對給定圖所描述的場景表明，即使存在退化的 MOSFET，也沒有泄漏。由精密整流器執行的進入柵極的正電流測量消除了該問題。Vs 完全取決于工作占空比，這表明傳感電路不足以準確確定導通柵極漏電流。圖 2 顯示了參考電路。建議同時對積分器輸出 vs 和 vr 進行采樣，以根據采樣時間和占空比獨立估計柵極漏電流。

傳感電路

圖 3 (a) 顯示了在柵極電阻兩端測得的差分電壓 Vrg。50kHz 的開關頻率和 0.5 的占空比已被用作 SiC MOSFET 實驗設置的統計數據。圖 3 (b) 顯示了儀表放大器輸出 v1，它旨在產生單位增益，從而產生與差分輸入相同的輸出波形。收集的實驗數據已用于獲得分析和波形。通過在執行輸出電壓校準的情況下設置正常的 MOSFET，可以消除開關導通瞬變的影響。

圖 3：傳感電路的波形

參考電路

參考電路的精密整流器直接接收柵極驅動器輸出。精密整流器的增益用 Gr 表示，它是 R3 和 R4 之間的比率。以積分器輸出不飽和的方式進行選擇。圖4（a）、（b）和（c）分別表示波形vg、v3和vr。

圖 4：來自參考電路的波形

仿真結果

柵極漏電流可以用以下公式計算：

Vs,cal(Ts)/ Vr(Ts) = (GsRg /GrVg-on) I _g,lk-on

柵極驅動器電路允許知道 Vg-on 和 Rg 的值，而 Gs 和 Gr 的值是通過設計選擇的，I _g,lk-on、Vs,cal 和 Vr 的值通過采樣計算 。圖 5 顯示了仿真的波形。漏電流值的準確性受電路和運算放大器等元件的非理想特性的影響，同時也是由于噪聲的引入。

圖 5：模擬波形

實驗設置和結果

圖 6 顯示了具有 1.7kV SiC MOSFET 和 50kHz 頻率的柵極驅動器和老化檢測電路的示意圖 。下側 FET 連接到老化電路，并連接了一個外部電阻器以吸收額外的柵極電流。原型如圖 7 所示。結果表明，電壓 Vs 和 Vr 隨時間增加。對不同時間段的 Vs 和 Vr 進行采樣有助于計算柵極漏電流。

圖 6：實驗設置

圖 7：原型

結論和未來工作

本文中描述的用于監控 SiC MOSFET 健康狀況的技術基于柵極漏電流。寬動態范圍和高頻率都對以直接方式測量柵極電流提出了挑戰。通過實驗結果驗證了預期的波形。老化檢測電路和柵極驅動器的集成可以通過使用健康監測功能創建更可靠的電源轉換器設計。其他功率晶體管系列，例如 IGBT 和 GaN，可以使用這種方法來估計柵極電流。