SiC MOSFET的温度特性及结温评估研究进展

与 Si 器件相比， SiC 器件具有更加优异的电气性能， 新特性给其结温评估带来了新挑 战， 许多适用于 Si 器件的结温评估方法可能不再适用于 SiC 器件。首先对 SiC 金属氧化物半导体 场效应晶体管 (MOSFET) 的温度特性进行了分析， 阐述了本征载流子浓度、 载流子迁移率等参 数受温度的影响机理， 分析了器件阻断特性、 输出特性、 转移特性等参量， 以便找到能够表征结 温特性的电气参量;然后研究分析了功率器件结温测量的各类方法， 并重点阐述了温敏电参数 (TSEP) 法在 SiC MOSFET 结温评估领域的应用前景， 从线性度、 灵敏度等 6 个方面对比分析了 各方法的优缺点， 并指出阈值电压和体二极管压降作为 TSEP 具有显著优势;最后分析了 TSEP 法在目前工程应用中面临的挑战， 并对未来的研究工作进行了展望。

0 引言

随着经济的发展， SiC 作为一种新兴的半导体 材料， 相比于传统的 Si 材料具有禁带宽度大、 击 穿场强高、 热导率高等特点。由 SiC 材料制作的功 率器件因其在高温、 高频、 高压、 高功率密度等方 面具有更加优越的性能 ， 在航空航天、 轨道交 通、 新能源发电与新能源汽车等领域有着广泛的应 用前景。一方面， 在电力电子系统的故障中， 约 31%是功率器件故障引起的， 而功率器件的故障中 约 60%与温度相关 ;另一方面， 根据失效的部 位可将功率器件失效分为两大类：芯片失效与封装 失效。芯片失效又分为电击穿和热击穿， 研究指出 电击穿失效的本质也是由于温度过高而最终引起的 热击穿失效 ;加入三代半交流群，加VX：tuoke08。而封装失效是由于结温过高或长 期的热循环造成的， 对结温进行主动管理可以提高 器件可靠性 。所以研究 SiC 功率器件的温度特 性和结温评估方法对功率器件的运行可靠性提升具 有重要意义。

已有研究指出， SiC 金属氧化物半导体场效应 晶体管 (MOSFET) 的使用温度最高可达 500 ℃ ， 在高温下依旧能保持稳定的伏安特性 。与 Si 器 件相比， 其高温下的运行更稳定， 可靠性更高。结 温是影响器件功耗和开关特性的主要因素之一， 过 高的结温以及短时间内的大幅度结温变化都可能导 致器件损伤或失效， 准确的结温评估为功率器件的 智能控制、 可靠性评估、 状态监测以及主动热管理 等提供了重要依据 。结温评估的方法可大致分 为四大类：热网络法、 光学法、 物理接触法以及温 敏电参数 (TSEP) 法。

TSEP 法是目前被认为最有前景的结温评估方 法之一， 应用于 Si 功率器件的结温评估已经相对 成熟。一方面， 由于微观物理参数以及结构的不 同， SiC 功率器件的温度特性与 Si 功率器件之间存 在差异;另一方面， SiC 功率器件使用在开关频率 更高的场合， 开关速度更快， 电压、 电流的变化率 更大;进一步， 器件对寄生参数更加敏感 。这 些因素可能导致适用于 Si 功率器件结温评估的 TSEP 法， 在 SiC 功率器件的结温评估中不再适用。对 SiC 器件进行结温评估时不能照搬 Si 器件结温 提取的方法。从已有研究来看， 应用在 SiC 功率器件结温评估的方法并不多。

本文阐述了 SiC 器件的温度特性研究现状， 并 在特性与参数方面与 Si 器件进行了对比;对 SiC 功率器件的结温评估现状进行了分析总结， 重点对 TSEP 法进行了梳理;分析了目前 SiC 功率器件结 温评估面临的挑战及对未来研究工作的展望。

1 SiC 器件的温度特性

1.1 影响器件特性的主导因素

功率器件的特性与能带宽度、 本征载流子浓 度、 载流子迁移率、 碰撞电离系数、 介电常数、 电 子亲和力等多个物理本质因素有关。根据影响 程度大小对主导因素进行分析。

1.1.1 本征载流子浓度

热激发条件下， 在半导体禁带间产生电子-空 穴对， 决定着本征载流子浓度， 其直接影响功率器 件泄漏电流的大小， 并且具有明显的温敏特性， 通 过禁带宽度 (EG )、 导带态密度 (NC ) 和价带态 密度 (NV) 表示出本征载流子浓度 (ni) ， 即

式中：n 为电子浓度;p 为空穴浓度;k 为玻耳兹 曼常数;T 为热力学温度。由于 SiC 的禁带宽度远 大于 Si 的， 所以 SiC 的本征载流子浓度比 Si 的小 得多， 这就意味着在 pn 结截止时， 二者的泄漏电 流存在几个数量级的差异。同时， 本征载流子浓度 随着温度升高而增大。

1.1.2 载流子迁移率

载流子迁移率是衡量载流子在半导体中发生漂 移难易的特征量， 物理意义是单位场强下载流子发 生漂移的平均速度， 其受到半导体内的多个参数影 响。载流子迁移率可表示为载流子类型 (电子或 空穴)、 掺杂浓度以及结温的函数， 在低掺杂浓 度下 (小于 1015 cm -3)， 4H⁃SiC MOSFET 漂移区内 载流子迁移率 (μ4H⁃SiC ) 与温度的关系为

式中 k1为与材料相关的常数。所以， 在漂移区内， 载流子的迁移率随着温度的上升而减小。F. R. Jiang 等人指出， SiC 功率器件中的 SiO2 / SiC 界 面陷阱密度非常大， 远高于 Si 器件中的 SiO2 / Si 界 面陷阱密度， 这很大程度上影响了载流子迁移率， 并且会严重影响 SiC 器件的性能和可靠性。虽然 SiO2在 SiC 上的热氧化理论与 Si 类似， 但 SiC 氧化 过程中碳的存在导致界面陷阱密度比 SiO2 / Si 界面 高约 3 个数量级 。目前比较有效的减小 SiC / SiO2界面陷阱密度的工艺是高温氮的钝化， 可以有 效增加器件可靠性 。而界面质量是影响沟道迁 移率的一个重要因素， 它通过多种散射机制直接降 低沟道迁移率 。另外， Si MOSFET 的沟道迁移 率随温度升高而降低， 而 SiC MOSFET 的沟道迁移 率随温度升高而增加 。

1.1.3 耗尽层宽度

在 p 型衬底的器件上加正偏压时， 半导体内会 形成一个耗尽区， 耗尽区的宽度 (WD，MOS ) 可以表 示为

式中：εS为相对介电常数;q 为单位电荷量;NA为 掺杂浓度。由式 (3) 可以得出， 耗尽层的宽度受 到温度的直接影响。而半导体的特征电容 (CS，M ) 与耗尽层的宽度直接相关， 可表示为

所以， 器件的特征电容也具有温度依赖性， 温度上 升， 耗尽层宽度增大， 特征电容下降。同时， 由于 特征电容是器件本体寄生参数， 其特性受到多方面 的综合影响 。

1.1.4 半导体总电荷

半导体的总电荷 (QS ) 可表示为

式中：p0为半导体内空穴的浓度;φB为体电势， 其 大小为表面电势 (ΨS ) 的一半。SiC MOSFET 的阈 值电压 (Vth ) 可以表示为

式中 COX为氧化层的特征电容。进一步， SiC MOS⁃ FET 的 Vth可表示为

阈值电压的温度依赖性主要受到本征载流子浓度的 影响， 随着温度的升高， 本征载流子浓度会增大， 从而导致 SiC MOSFET 的阈值电压具有负温度特 性， 目前已有研究通过相关实验得到证实。表 1 为 常温下， 两种常见 SiC 材料与 Si 材料的物理参数 特性对比。

1.2 阻断特性受温度的影响

功率器件在电力电子系统中一般工作在导通或 关断状态， 所以研究阻断特性的温度特性对于器件 的应用十分重要。曾亮等人对 SiC MOSFET 阻 断特性受温度影响的情况进行了分析， 对不同温度 下的击穿电压进行了研究， 其温度依赖性如图 1 所 示， 在温度升高的过程中， 击穿电压不断下降， 在 400 ～ 500 K 的温度范围内， 击穿电压对温度较敏 感， 而在其他温度范围内对温度的敏感性相对 较弱。

1.3 输出特性受温度的影响

SiC MOSFET 在不同温度下的输出特性有很大 区别， 在温度升高的过程中， 输出特性曲线出现下 移， 这意味着温度升高造成饱和电流减小， 而导通 电阻增大， 二者的变化趋势如图 2 所示。这主 要与 SiC MOSFET 的 MOS 沟道电阻与漂移区电阻 的相互影响有关。

随着温度上升， 漂移区晶格散射会增强， 载流 子的迁移率则会减小， 从而漂移区电阻增加， 这样 呈现出温度对漂移区电阻的影响为正温度效应;当 驱动电压足够， MOS 沟道会出现反型层， 其迁移 率和浓度主要是被 SiC / SiO2界面处的界面陷阱所限 制， 当温度上升时， 界面态密度会减小， 导致反型 层的迁移率增加， 从而使 MOS 沟道电阻减小， 这 样呈现出温度对 MOS 沟道电阻的负温度效应。导 通电阻主要由 MOS 沟道电阻和漂移区电阻组成， 在低温时， 漂移区电阻占据主导地位， 而 MOS 沟 道电阻的负温度效应会抑制总电阻的增大， 所以低 温时电阻增大相对缓慢， 在温度增大过程， MOS 沟道的电阻逐渐减小， 最后可忽略其变化对导通电 阻的影响。而漂移区电阻逐渐增大， 其正温度效应 主导了导通电阻的变化， 所以导通电阻随着温度的 上升， 其增大速度越来越快。

1.4 转移特性受温度的影响

SiC MOSFET 的转移特性描述了漏极电流随栅 极电压的变化情况。随着温度的升高， 转移特性曲 线向上移动， 同时， 阈值电压也在减小， 这是由于 在温度上升过程中， 本征载流子浓度大量增加， 导 致阈值电压随温度升高而降低 。这主要是因为 随着温度升高， 通过 SiC 带隙中的热载流子增多， 导致本征载流子浓度减小， 从而造成了阈值电压的降低 。影响转移特性的另一重要参数是跨导， 跨导定 义为漏极电流的微小增量与栅极电压微小增量的比 值， 其表征了栅极电压对漏极电流的控制能力 ， 跨导 (gm ) 可以表示为

式中：Z 为沟道宽度;LCH为沟道长度;Vgs为栅源 电压;μni为反型沟道电子迁移率， 其可由典型闪 射机制中体晶格散射迁移率 (μB )、 界面态散射迁 移率 (μit )、 表面声子散射迁移率 ( μph ) 和表面 粗糙度散射迁移率 (μsr) 等几部分表示为

徐鹏等人 在不同温度下对 SiC MOSFET 的跨导 进行了测量， 其结果如图 3 所示， 图中 Vds为漏源 电压。由图 3 可以看出， 随着温度的升高跨导增 大， 同时还指出 SiC MOSFET 与 Si MOSFET 的跨导 的温度依赖性存在差异， 二者在不同温度下的增长 速度不同。此外， 徐静平等人 和陈明等人 详 细分析了温度对 μni的影响， 在温度小于 600 K 时， 温度升高， μit 增加， μni 增加;当温度大于 600 K 时， μsr和 μph加强， 使得相应迁移率的减小程度大 于 μit的增加， 从而造成 μni减小。

跨导对于功率器件的影响体现在米勒平台电压 上， 米勒平台电压 (Vplate) 表示为

式中 IL为负载电流。综合式 (7) ～ (10) 可得， 温度上升， 阈值电压与米勒平台电压均降低， 而二 者直接影响着开通过程的电压下降时间与关断过程 的电压上升时间， 所以温度会影响器件的开关特性 。

1.5 开关损耗及电应力的温度特性

功率器件的开关损耗直接影响着变换器的效率 以及器件自身的结温， 因此研究其温度特性有着重 要意义。研究结果显示， 在-20 ～ 60 ℃ 范围内， 温 度上升， 开通损耗减小， 关断损耗增加， 而开通损 耗下降的幅度更大， 所以导致总开关断损耗呈下降 趋势。此外， 电流增大， 开通损耗与关断损耗均增 大， 但是关断损耗对电流等级的敏感性大于开通 损耗 。

开关过程的电压、 电流变化率以及此过程中的 电压、 电流尖峰也是影响器件性能的重要因素， 同 时会影响器件所受的电应力大小， 直接关系到器件 可靠性。随着温度升高， 开通过程的电压、 电流变 化率增大， 而关断过程的电压、 电流变化率减小， 这就造成开通过程的电应力迅速增大， 而关断过程 的电应力减小。进一步说明温度升高， 会导致开通 过程的时间变短， 而关断过程时间变长 。

2 结温评估的研究进展

随着功率器件使用愈加广泛， 其结温评估已逐 步成为研究的热点， 结温评估的方法有很多， 不同 的结温评估方法各有利弊。

2.1 热网络法

热网络法测温是基于待测器件的实时损耗和瞬 态热网络模型， 通过仿真计算或离线查表等方式反 推芯片的结温及其变化趋势 。热网络法有两种 可用的热网络模型类型：Foster 模型和 Cauer 模 型。因 Cauer 模型具有对应于器件中不同层的 物理意义， 因此， 为了将热网络模型应用于可靠性 分析， 一般选 择 Cauer 模 型 作 为 目 标 热 网 络 模 型 ， Cauer 型 n 阶 RC 热网络模型如图 4 所示， 图中， Rth1～ n为第 1 ～ n 阶热阻;Ct h1～ n为第 1 ～ n 阶 热容;Tj为结温;Tc为壳温;Plo ss为器件实时损耗。

运用热网络法评估器件的结温时， 需要同时获 得待测器件的实时损耗和热网络模型及参数， 然 而， 获得器件精确的实时损耗及准确的热网络模型 参数在实际运用中却十分困难。在器件的使用过程 中， 器件老化会导致热网络参数发生变化， 造成与 最初确定的热网络模型参数有较大差距， 因此需要 不断更新参数以保证精度。为了保证热网络法测温 的准确性， 需要考虑的问题包括：焊料层的老化情 况、 传热特性中异质材料层之间传热角度的 差异性问题 、 以及多芯片之间的热耦合效应 等 。采用有限元方法对功率模块进行热仿真 分析是一种可行的方法， 可获得芯片表面的二维温 度场分布 。获取热网络参数需要用到参数辨 识方法 ， 模型参数的准确性直接影响结温估计 的准确性， 同时， 建立模型有必要考虑杂散参数的 影响， 并根据不同工况选择不同的模型进行器件的 评估与监测 。

2.2 光学法

光学法测温主要基于冷光、 拉曼效应、 折射指 数、 反射比、 激光偏转等光温耦合效应对器件的结 温进行测量， 通常借助待测器件温度与红外辐射之 间的关系， 包括红外热成像仪， 光纤、 红外显微 镜、 辐射线测定仪等 。目前， 红外热成像仪已 经广泛应用到结温测量领域， 其测量结果准确， 但 是使用成本高， 通常红外热成像仪测量结温与其他 方法测量结温进行对比， 以此表征其他结温测量方 法的准确性。

另外， 利用温敏光学参数 ( TSOP) 法也可进 行结温测量。在 SiC MOSFET 体内存在一个寄生的 体二极管， 体二极管正向导通期间， 在芯片周围会 发出可见蓝光， 合理利用此电致发光效应可以对 SiC MOSFET 进行结温测量。研究显示， 体二极管 的发光强度与温度的变化呈线性关系， 利用此线性 关系可以对 SiC MOSFET 结温进行测量;此外， SiC MOSFET 体二极管的发光光谱与其结温也有直 接关系， 其发光光谱大约在 380 nm 和 480 nm 处显 示出两个特征峰， 并且两个特征峰随结温的变化关 系完全相反， 对光谱中的两个特征峰进行分析利用 也可以实现结温测量 。

用光学法进行结温评估的优势是结果较准确、 无接触测量等， 但是， 无论是运用红外热成像仪对 SiC 功率器件进行结温测量， 还是采用 TSOP 法利 用 SiC MOSFET 体二极管的电致发光效应， 都需要 去除器件的外封装， 这会破坏整个模块的完整性，并且大部分商用红外热成像仪的采样率远不能满足 结温动态测量的要求， 难以用于功率器件的结温在线测量。

2.3 物理接触法

物理接触法测量器件结温是将温敏元件作为温 度传感器集成到功率器件中， 从而可以对结温进行 测量， 常用的温敏元件有温敏电阻和热电偶等 。运用温敏元件进行结温测量方法简单、 容易实现， 但是响应速度相对较慢， 并且需要破坏器件外封 装， 难以器件结温进行实时检测， 同时测量的准确 性与温敏元件和芯片的位置有关， 精度难以满足结 温测量的要求。另外， 功率器件在高压大电流下使 用时， 高电压绝缘问题以及电磁干扰问题也是一个 重大挑战。

Y. Zhou 等人和 X. Ma 等人 研究了基于 负温度系数 (NTC) 温度传感器实现 IGBT 的动态 结温提取， 但是忽略了二极管的热阻抗和芯片间的 热耦合效应。刘平等人以功率模块内置 NTC 温 度传感器为温度参考点， 建立了考虑热耦合效应的 新型热网络模型， 结合准确的损耗在线计算实现了 SiC MOSFET 结温的在线提取。

2.4 温敏电参数法

TSEP 法利用结温与待测器件电气参数的对应 关系， 通过测量一定温度下器件电气参数来评估器 件结温。运用 TSEP 法进行结温测量步骤如下：首 先进行离线校准， 通过离线方式获得 TSEP 与已知 结温的映射关系， 作为后续结温测量的参考;其次 是开展参数提取， 在待测器件正常运行时， 实时对 TSEP 进行测量;最后利用事先校准程序中获得的 映射关系反推芯片温度。该过程可通过曲线拟合后 的查表法或神经网络预测法等方式确定 。

SiC 器件不同于 Si 器件， 因其常用于高压、 高 频、 高功率密度等场合， 所以对其结温测量提出了 更大的挑战。基于 TSEP 法进行结温评估是目前研 究的热点和难点， 根据参数获取的时间阶段不同， 可以将 TSEP 分为静态参数和动态参数两大类。在 开通或者关断转换过程中提取的参数称为动态参 数， 包括栅极峰值电流、 开通/ 关断延时、 米勒平 台、 阈值电压、 漏极电流变化率、 栅极内阻和关断 损耗;在完全导通和完全关断期间提取的参数称为 静态参数， 包括导通压降、 导通电阻、 体二极管压 降、 饱和电流和短路电流 。

2.4.1 开通/ 关断延时

开通延迟时间 (t d ， on ) 定义为栅极驱动信号的 上升沿与导通电流开始上升之间的时间。而类似的 关断延迟时间 (t d ， off) 定义为栅极驱动信号的下降 沿与导通电流下降到零之间的时间。目前， 开通/ 关断延迟时间已用于 Si MOSFET 与 Si IGBT 的结温 测量， 并且取得了良好的效果 。SiC 功率器件 相比于 Si 功率器件的开关速度更快， 所以对于开 通/ 关断延迟时间的测量提出了更高的要求。

研究结果表明不同外栅极电阻下的开通延时不 同， 如图 5所示增大 SiC MOSFET 的外栅极电阻 (Rg) 可以有效地增大开通延迟时间， 提高灵敏 度， 在 2 000 Ω 的外栅极电阻下， 灵敏度约为 600 ps/ ℃ ， 开通延时与结温之间的线性度较好， 不同 漏极电流对其几乎没有影响 。关断延时同时受 到温度和负载电流的影响， 灵敏度较低 (负载电 流 5 A 时约为 20 ps/ ℃ )， 同样可以通过增大外部 栅极电阻或等效输入电容来提高灵敏度， 图 6 所示是对 1 200 V/ 24 A 的 SiC MOSFE 进行灵敏度 测试对比实验， 将外栅极电阻由 0 Ω 增加到 150 Ω 和 300 Ω 可以将灵敏度提高 30～60 倍。

2.4.2 栅极峰值电流

当栅极驱动电压保持不变时， 栅极电流可以间接地反映栅极内阻的大小， 栅极电流可直接通过测 量外栅极电阻两端的电压进行测量， 测量原理如图 7所示。

栅极峰值电流用于评估 SiC MOSFET 的结温， 电流镜式的栅极驱动拓扑适用于栅极峰值电流作为 TSEP， 而推挽式和电感式的栅极驱动拓扑更适用 于采用开通过程的栅极电流的积分作为 TSEP;已 有 研 究 人 员 对 ROHM 公 司 的 400 V/ 20 A (SCTMU001F) SiC MOSFET 展开研究， 结果显示 栅极峰值电流与结温之间大致呈线性关系， 其灵敏 度约为 0.2 mA/ ℃ ， 可以用于评估 SiC MOSFET 的 结温， 但是， 电源电压和负载电流会影响栅极峰值 电流的温度依赖性， 从而对结温测量的准确性造成 影响 。

2.4.3 阈值电压

阈值电压的常用测量方法有变跨导法、 固定电 流法和线性外推法等 。使用阈值电压对 Si MOS⁃ FET 进行结温评估， 灵敏度可达到- 5.8 mV/ ℃ ， 相比于体二极管压降具有更好的温度敏感性， 并且 线性度较好 。因为 Vgs的上升时间非常快， 通 常可以达到 1 V/ ns， 所以对栅极电压进行准确采 样是一个很大挑战。阈值电压具有负温度系数， 图 8 所示为 SiC MOSFET 的阈值电压随温度的变化曲线。有学者对 Cree 1200 V/ 30 A C3M0075120K 的阈值电压进行了 测试， 其灵敏度约为-5.2 mV/ ℃ ， 负载电流对阈 值电压的影响不大， 因此可忽略负载电流对阈值电 压温度依赖性的影响， 但是负载电流过大会造成器 件的自热严重;另外， 运用阈值电压进行结温评估的灵敏度不受电源电压的影响 。阈值电压 应用于 SiC 功率器件进行结温评估是可行的， 但是 需要高速的精密测量电路与仪器。

2.4.4 漏极电流变化率

在器件的开通和关闭过程， 漏极电流 (iD ) 变 化率 (diD / dt) 是关于温度的函数， 可用作结温评 估的 TSEP， 并且开通 diD / dt 的温度依赖性比关断 diD / dt 更 好。H. Li 等 人 对 ROHM 公 司 生 产 的 1 200 V/ 40A (SCT2080KE) SiC MOSFET 的开 通 diD / dt 进行了测定研究， 在不同电源电压下开 通 diD / dt 的温度依赖性如图 9 所示， 可以看出漏极 电流变化率随着温度的升高而增大。

在栅极电阻过大或者过小时， diD / dt 温度依赖 性的灵敏度都比较低， 在合适大小的栅极电阻时其 灵敏度会更高。将 diD / dt 用作 SiC MOSFET 结温测 量的 TSEP， 其线性度好， 但灵敏度低， 可以适当 增大栅极电阻来提高灵敏度。负载电流、 电源电 压、 栅极电阻以及驱动电压都与 diD / dt 存在耦合 关系 。

2.4.5 栅极内阻

栅极内阻 (Rg ， int) 由功率器件栅极内部的所 有电阻构成， 不同器件之间存在差异。将一个高频 正弦信号施加在栅极侧， 同时将负载端进行短接， 可以 实 现 对 栅 极 内 阻 的 测 量 。T. Kestler 等 人在 SiC MOSFET 处于关断时在栅极侧施加一 个高频信号， 通过外部栅极电阻实现栅极内阻的测 量， 进一步， T. Kestler 等人采用了一种 “即插 即用” 的开关装置， 在器件导通和关断情况下均 可实现栅极内阻的在线测量， 从而使得测量更加 简便。一般来说， SiC 功率器件的栅极内阻很小， 所 以在测量时比 Si 功率器件更加困难。不同电源电 压下 1 200 V/ 50 A SiC MOSFET 栅极内阻的温度依 赖性如图 10 所示 ( 图中的 Vds 与电源电压相 等)， 其具有正温度系数， 线性度较好， 灵敏度较 高， 约为 0. 6 ～ 1 mΩ/ ℃ ， 同时电源电压会影响栅 极内阻的温度依赖性 。

2.4.6 米勒平台

在功率器件的开通/ 关断过程中， 会出现一个 短时间瞬态米勒平台， 此时对应电压即米勒平台电 压。V. K. Sundaramoorthy 等人的研究中米勒 电容的放电时间被用作 TSEP 来评估 IGBT 的结温， 结果表明米勒平台宽度与 IGBT 的结温呈线性 关系。

SiC 器件中米勒电容放电时间是复杂的， 因其 尺寸更小， 所以米勒电容也更小， 将其用于 SiC 器 件的结温评估非常困难 。李新秀 指出， SiC MOEFET 的米勒平台电压并不明显， 主要原因是其 短沟道效应和低跨导引起的。B. Y. Liu 等人 提出了一种基于米勒平台电压和漏源电流的多维 TSEP 对 SiC MOSFET 进行结温评估， 并与红外测 温进行比较， 结果显示， 两种方法测得的结温波动 趋势大致相同， 只在结温峰值处略有区别， 二者误 差在 3%左右。

2.4.7 关断损耗

关断损耗 (Eoff) 作为 TSEP， 可用于功率器件 的结温监测。G. Q. Xu 等人 和 X. Z. Qiu 等 人将关断损耗用作 TSEP 测量 IGBT 的结温， 结 果表明器件的关断损耗与结温之间有着良好的正比 关系， 其线性度好、 响应速度快、 监测方便、 可实 现无损测量和在线测量。虽然目前暂未应用于 SiC 器件 估 ， 但随着进一步的研究发展， 或许可以成为评 SiC 器件结温的新方法。

2.4.8 导通压降

SiC MOSFET 的导通压降 (Vds ， on ) 定义为器件 完全导通时漏源极之间的电压差， 其与器件的结温 之间有着确定的对应关系， 可以用作 TSEP 进行结 温评估， 其在线监测的主要挑战是转换器开关期间 漏源极之间的显著电压偏移， 电压范围从导通期间 的几伏到关断期间远远超过直流链路的电压瞬变。使用电压钳位电路可以对导通电压实现精确测量， 图 11 为不同负载电流下 1 200 V/ 29.5 5 A SiC MOSFET (CCS020M12CM2) 导通压降的温度依赖 性， 导通压降与温度之间有着正温度系数， 其线性 度好， 灵敏度高， 在 26 A 负载电流下， 灵敏度可 达到 13.7 mV/ ℃ ， 同时负载电流会影响其温度依 赖性， 可对电流进行测量以解耦， 同时可以在考虑 自热效应的情况下适当增大负载电流来提高其灵 敏度 。

2.4.9 导通电阻

导通电阻 (Rds ， on ) 可用于 Si IGBT 的结温评 估。SiC MOSFET 导通电阻由芯片通态漏源电阻和 封装电路电阻两部分组成 。图 12 所示为功率 循环前后 1 200 V/ 19 A SiC MOSFET 导通电阻的温 度依赖性， 导通电阻有正温度特性， 但是其灵敏度 不高且随温度变化， 并且线性度不足。

导通电阻的温度依赖性存在非线性和灵敏度方 面的缺陷， 采用二项式插值的方法， 使用导通电阻 与导通电流协同对结温进行监测， 可以有效提高其 测量精度 。另外， 导通电阻会受到老化影响， 在使用过程中， 随着老化的加剧导通电阻会逐渐增 大， 所以在长期使用过程中需要不断进行校准过 程， 否则会造成测量值比实际结温值高， 因此可以 用结温的异常升高对器件的老化程度进行评估 。

2.4.10 饱和电流

饱和电流 ( ID ， sat ) 也可用作结温评估， 在器 件关断时， 在栅极驱动端施加一个略大于阈值电压 的驱动电压， 然后通过测量漏极电流可以实现饱和 电流的提取， 饱和电流不仅与温度有关， 同时也受 到栅极电压的影响， 所以需要精准控制栅极驱动 电压 。SiC MOSFET 的饱和电流已被用作结温评估研 究， 研究结果显示饱和电流具有正温度系数， 但是 遗憾的是在应用过程中需要进行非线性拟合， 会增 大工作量。进一步研究显示， 饱和电流的平方根与 结温有着良好的线性关系， 图 13 所示为 Cree 公 司生产型号为 C2M0080120D 的 1 200 V/ 36 A SiC MOSFET 在不同栅极电压下饱和电流平方根的温度 依赖性， 其线性度好， 灵敏度较高， 可以用作代替 阈值电压进行结温估计的 TSEP。

2.4.11体二极管压降

当 MOSFET 的电流通道关闭 体二极管时会产生一个电压降 V ， 电流反向流过 SD， 此电压降可用 作结温评估的 TSEP。测量时对栅极施加负偏置电 压， 同时施加反向电流流过体二极管， 为了尽可能 减小电流引起的自热效应， 电流取值不宜太大。

此体二极管压降作为温敏电参数时应在栅极端 施加足够的偏置负电压 。图 14所示为 1 200 V/ 50 A SiC MOSFET 在不同测量电流 (Im ) 下体二 极管压降的温度依赖性， 其线性度好， 灵敏度高 (-2 ～ -4 mV/ ℃ )， 是用作结温测量的良好参数， 但不容忽视的其会受到栅极电压与测量电流的影 响。另外， SiC MOSFET 在使用过程中的双极性退 化会造成体二极管压降发生漂移 。

2.4.12 短路电流

在测量短路电流时， 驱动电压与电源电压都要 保持不变， 通过短路电流可以间接地反映通态电阻 随结温的变化， 短路电流法可以用于 MOSFET、 IGBT 等功率器件的结温测量， 其具有线性度好和 灵敏度 高 等 优 点 。短 路 电 流 法 用 作 型 号 为 IGC50T120T6RL 的 IGBT 结温估计， 在驱动电压为 15 V 时， 其灵敏度可以达到 0.35 A/ ℃ ， 电源 电压对其影响很小， 但驱动电压的影响较大， 因此 应尽量选择合适且恒定的驱动电压。刘奥博提 出了一种基于短路电流组合方式的 IGBT 结温测量 方法， 可以实现对键合线的老化解耦。需要注意的 是， 即使在很短时间内短路电流也会引起很大的损 耗与自热， 同时， 短路电流会加速器件的老化， 降 低器件的使用寿命， 所以应慎重选择短路电流作为 TSEP。目前来看， 使用短路电流法对 SiC 器件结 温进行测量仍面临许多挑战， 需进一步探索研究。

2.5 TSEP 对比分析

TSEP 法用于 SiC 功率器件的结温评估比用于 Si 功率器件上更加困难， 迎来的挑战也更多， 需 要综合考虑在线性度、 灵敏度、 实现难易等多方面 的影响。表 2 对 TSEP 法的线性度、 灵敏度、 耦合 量、 响应速度、 老化影响以及实现难易程度进行了 归纳总结， 表中 Vd c为电源电压、 栅极电压。

线性度表征 TSEP 与结温之间的相关程度， 线性度好则校准简单， 工作量小， 校准曲线更加 准确， 结 温 测 量 结 果 更 加 可 信;灵 敏 度 表 征 TSEP 受结温影响的程度大小， 灵敏度高的参数 用于结温测量精度更高， 但灵敏度并非定值， 其 可能受到多种因素的影响， 例如关断延时用作 TSEP 时， 通过增大栅极电阻可以增大灵敏度， 表中所列均为典型研究中测量结果灵敏度;耦合 量是影响 TSEP 温度依赖性的其他参数， 在结温 测量过程应采取措施进行解耦或减小耦合量的影 响;响应速度表示结温测量响应的快慢， 表中开 关频率代表功率器件每开关一次就可完成一次测 量;老化影响指器件在老化过程中是否会导致 TSEP 的漂移， 若 TSEP 发生漂移会导致结果偏离 最初的校准曲线， 从而导致结果出现较大误差， 这时需要对校准曲线更新或采取措施进行老化解 耦， 需要注意的是几乎所有的 TSEP 都会受到老 化的影响;而实现难易评价了该 TSEP 法实现的 可行性与复杂程度。

从表格对比结果来看， 阈值电压与体二极管压 降在结温评估的综合评价方面具有显著优势， 另 外， 二者在校准时的自热程度均较小， 同时， 阈值 电压的耦合量少， 而体二极管压降则受老化的影响 较小。导通压降虽然具有一定优势， 但是受自热程 度影响较大。开通/ 关断延时、 栅极峰值电流以及 开通漏极电流变化率的耦合量较多， 用于结温评估 时需重点考虑耦合量的影响。导通压降、 饱和电流 的非线性与灵敏度随温度变化导致准确建立校准曲 线较困难。栅极内阻、 米勒平台的灵敏度不高， 而 关断损耗与短路电流用作 TSEP 对 SiC MOSFET 结 温评估是否适用还需进一步探索。

根据实际工况选择合适的 TSEP， 不破坏器件封装情况下， 通过对 TSEP 的实时监测可评估器件 结温， 在器件的结温异常时及时对电力电子系统进 行维护， 可避免因结温过高导致器件失效后造成系 统更大的损失 。

2.6 基于电磁效应的结温评估

J. O. Gonzalez 等人对 IGBT 使用中的电磁辐 射 (EMR) 进行捕获分析， 结果显示， EMR 是 IGBT 开关延迟的函数， 该延迟与结温成正比， 因 此结温可以从 EMR 中提取出来， 该方法具有精度 高、 非侵入性的优点。J. Demus 等人 分析了电 路电磁频谱 (E⁃PHM) 变化实现系统的预测与健 康管理， 以确定待测器件的健康状况， 该研究利用 E⁃PHM 技术评估 SiC MOSFET 的结温， 结合训练 机器学习算法， 在不中断设备运行、 不改变系统性 能的情况下， 评估器件的结温， 测量的结果误差在 10 ℃内。

2.7 影响结温测量精度的因素

TSEP 法有响应速度快、 不破坏器件结构、 可 在线测量等优点， 具有良好的应用前景， 受到了研 究者的广泛关注。但是由于一些客观原因或操作问 题会影响测量的精度问题， 例如器件可靠性问题及 不同情况下的参数选择等问题 。

2.7.1 校准问题

运用 TSEP 法进行结温评估时， 前期需要进行 校准操作， 通过主动施加结温来获取 TSEP 与温度 之间的函数关系， 此函数关系用于后续的结温查找 表， 校准的准确性直接影响着结果的准确度。在校 准的过程中需要最大程度地限制器件的自热问题， 以保证施加温度与结温尽可能保持一致。当 TSEP 的温度依赖性线性度差， 灵敏度低时， 应尽可能增 加采样的数量， 以保证校准曲线更准确;而线性度 较好， 灵敏度高时可以适当减少采样的数量， 以减 少校准过程的工作量。

2.7.2 老化问题

器件在使用的过程中会发生老化， 老化几乎会 对所有 TSEP 产生影响， 从而引起参数漂移， 造成 测量结果与实际结温的误差。例如老化会导致通态 电阻和阈值电压的增加， 从而造成结温估计比实际 温度高。老化问题解决的常用办法有两个：一个是 老化过程中不断进行校准程序， 但此过程繁琐， 工 作量大;另一个是采取一定的补偿方式进行老化补 偿或实现老化解耦。

2.7.3耦合问题

TSEP 除了受到温度的影响外， 还可能受到其 他参数的影响。例如不同栅极电阻值下导通延时灵 敏度不同、 不同电源电压下栅极内阻的温度依赖性 差别很大等， 因此， 在实际工程运用需考虑耦合问 题， 可以采取措施解耦， 以实现结温精确测量。

2.7.4 采样精度问题

SiC 器件较传统的 Si 器件来说， 开关速度更 快， 传统的测量电路与仪器很难满足其精度要求。例如因开通过程非常迅速， 使用开通延时、 阈值电 压等作为 TSEP 时， 可供采集的过程非常短， 通过 传统的采集电路及设备得到的数据可能存在较大的 偏差， 因此对于相关 TSEP 的测量电路与仪器需要 更高的精度要求。

3 结论及展望

3.1 结论

本文对 SiC 功率器件的温度特性和结温评估研 究现状进行了分析总结。首先对影响功率器件特性 的主导因素进行了研究， 然后对 SiC 器件的输出特 性、 转移特性受温度的影响情况进行了阐述， 分析 了温度对器件参数的影响机理;进一步， 对常见的 Si 与 SiC 半导体功率器件的材料参数特性进行了比 较。最后， 对结温评估的方法进行了梳理总结。

研究表明， TSEP 法有着不破坏器件结构、 可 在线评估， 响应速度快等优点， 被认为是最有前景 的结温评估方法之一， 是本文阐述的重点。对 SiC 功率器件结温评估的 TSEP 法进行了系统的梳理与 总结， 从线性度、 灵敏度、 耦合量、 响应速度、 老 化影响以及实现难易程度 6 个方面进行对比分析， 建立了一套较为全面的评价指标。分析了影响 TSEP 法测量精度的因素， 列举了一些相应的解决办法 。

3.2 面临的挑战

TSEP 法虽然被认为是 SiC 功率器件结温评估 最有前景的方式之一， 目前也取得了一些有效的成 果。然而， 目前来看 TSEP 法在工程应用中还面临 许多挑战， 主要包括以下几个方面。

① 如何在不改变电路拓扑和变换器运行状态 的前提下运用该方法。不改变原有的主电路拓扑与 运行状态是不能违背的基本原则之一。比如在测量 时整流器的输出端引入大的纹波是工程应用中不想看到的结果。

②如何对耦合量实现解耦。耦合量越多校准的 过程就越复杂越困难， 并且耦合量会影响结温测量 的精度， 因此采取措施对耦合量进行解耦， 或将耦 合量的影响程度减至最小， 以增强测量结果的可 信度。

③如何减小器件老化的影响， 或直接对老化因 素解耦。几乎所有的 TSEP 都会受到老化因素的影 响， 而老化过程需要不断进行校准， 校准过程的工 作量大且繁琐， 因此减小老化影响或直接对老化实 现解耦是必要的。

④不同器件需要重新校准的挑战。校准过程工 作量大而繁琐， 但不同器件的同一 TSEP 温度依赖 性不同， 因此每次都需要重新校准， 这会导致工作 效率低下， 也是目前较难克服的挑战。

⑤测量电路及仪器的精度问题。SiC 材料的 TSEP 采集非常困难， 因此对测量电路和仪器的精 度提出了更高的要求。

⑥器件可靠性问题。SiC MOSFET 的栅氧层的 SiC / SiO2界面态问题是芯片生产工艺难以克服的难 点， 这严重影响了其性能， 大量的界面陷阱会降低 沟道迁移率、 造成阈值电压发生漂移， 进而对转移 特性和输出特性造成影响， 从而导致大多数电气参 数受到影响。

⑦寄生电感问题。主电路中不可避免的存在寄 生电感， 寄生电感的存在会引入干扰影响到开关波 形， 而开关波形是读取被测器件动态参数的重要依据，因此寄生电感问题是面临的挑战之一 。

3.3 展 望

目前， TSEP 数法应用在 SiC 功率器件的结温 评估中尚不成熟， 仍有许多问题亟待研究解决， 从 以下几个方面对未来的研究工作进行展望。

①改善传统适用 Si 器件的测量电路弊端， 研 究开发新的测量电路。对于目前部分测量过程会改 变电路拓扑结构或运行状态， 以及测量电路精度不 高、 灵敏度不够等弊端， 需要进一步改善测量电路 或提出全新的测量电路达到更理想的测量要求。

②实现多参数之间解耦。多个电参数耦合使得 结温测量的工作量大幅度增加， 同时会影响测量的 准确性问题， 因此实现参数间的解耦是必要的。

③进一步研究 SiC 器件老化的机理， 减小老化 对测量结果的影响。老化几乎对所有的电参数都会 产生影响， 不断的校准过程使得工程应用十分困 难， 可以采取措施进行老化补偿或开发新方法实现 老化解耦。

④开发新的结温评估方法。目前对典型温敏电 参数的利弊都有了一定的了解， 但是其他物理参量 是否适用于 SiC 器件结温评估仍需进一步探索。

审核编辑：汤梓红