CN114720836A - 一种GaN模块散热性能衰退的监测电路及方法 - Google Patents

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Abstract

一种GaN模块散热性能衰退的监测电路及方法，监测电路包括微处理器、恒压源单元、GaN模块。微处理器，用于控制GaN模块开通与关断，还用于采集GaN模块的漏极电流，并根据K曲线计算器件结温；恒压源单元，用于向开通时的GaN模块提供恒定栅极电压。本发明一种GaN模块散热性能衰退的监测电路及方法，通过对结温、壳温和热特性衰退的监测，辨别监测GaN模块的散热性能的变化，从而评估GaN模块的可靠性。

Description

一种GaN模块散热性能衰退的监测电路及方法
技术领域
本发明涉及GaN模块老化监测技术领域，具体涉及一种GaN模块散热性能衰退的监测电路及方法。
背景技术
电力电子装置在新能源发电、交通牵引、航空航天、工业自动化、交通运输等领域得到了广泛运用，提高电力电子装置的可靠性能满足更严格的安全和成本需求。宽禁带半导体材料是继硅(Si)和砷化镓(GaAs)为代表的第一代、第二代半导体材料之后，迅速发展起来的第三代新型半导体材料，而氮化镓(GalliumNitride,GaN)是宽禁带半导体材料中的一种，具有耐压能力高、导通电阻小、开关速度快、开关频率高、结-壳热阻小和更高的结温等突出的性能优势，更适合用于1kV以下电压等级功率器件中。然而，复杂恶劣的工况和交变的热-机械应力使得GaN模块易老化损伤。由GaN模块老化引起的不可预见的故障会带来昂贵的代价，对GaN模块进行热特性分析也成为了提高电力电子***可靠性的一种经济有效的方法。
结温和加热脉冲时间的长短会对GaN模块产生很大的影响。当GaN模块工作在有源区时，结温会随着脉冲时间的加长而逐渐升高，加热脉冲时间越长，结温的升高会使得GaN热阻增大，GaN模块会持续受到热-机械应力的冲击，使模块加速老化，缩短GaN模块的使用寿命，由模块老化所引起的不可预见的故障会带来昂贵的代价。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种GaN模块散热性能衰退的监测电路及方法，通过对结温、壳温和热特性衰退的监测，辨别监测GaN模块的散热性能的变化，从而评估GaN模块的可靠性。
本发明采取的技术方案为：
一种GaN模块散热性能衰退的监测电路，包括：
微处理器、恒压源单元、GaN模块；
微处理器，用于控制GaN模块开通与关断，还用于采集GaN模块的漏极电流，并计算GaN模块结温；
恒压源单元，用于向开通时的GaN模块提供恒定栅极电压。
所述恒压源单元包括：单刀双掷开关TM，放大器OP1、OP2、OP3，MOSFET开关，非门NOTGATE，电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11，电容C1；
单刀双掷开关TM的引脚S1、引脚S2均连接参考电压Vref，单刀双掷开关TM的引脚SEL连接微处理器的控制输入SV端，单刀双掷开关TM的引脚D连接电阻R1的一端；
电阻R1的另一端连接放大器OP1的反向输入端，放大器OP1的输出端连接电阻R2的另一端，电阻R2的一端连接放大器OP1的反向输入端，电阻R2的另一端连接电阻R5的一端；
电阻R3的一端连接放大器OP3的输出端，电阻R3的另一端连接放大器OP1的同相输入端，电阻R4的一端连接放大器OP1的同相输入端，电阻R4的另一端连接接地端；
电阻R5的另一端连接放大器OP2的反向输入端，放大器OP2的输出端连接电阻R11另一端，电阻R11一端连接电容C1的另一端，电容C1的一端连接放大器OP2的反向输入端；
放大器OP2的输出端连接MOSFET开关的漏极，MOSFET开关的源极连接放大器OP2的反向输入端，MOSFET开关的栅极连接非门NOT GATE的输出端，非门NOT GATE的输入端连接单刀双掷开关TM的引脚D；
电阻R6的一端连接放大器OP2的同相输入端，电阻R6的另一端连接接地端；
放大器OP2的输出端连接GaN模块的栅极，GaN模块的源极连接接地端；
放大器OP2的输出端连接电阻R8的一端，电阻R8的另一端连接放大器OP3的同相输入端，
电阻R9的一端连接放大器OP3的同相输入端，电阻R9的另一端连接接地端；
电阻R7的一端连接放大器OP3的反相输入端，电阻R7的另一端连接接地端；
电阻R10的一端连接放大器OP3的反相输入端，电阻R10的另一端连接放大器OP3的输出端。
所述GaN模块内部结构的热网络能够等效为Cauer网络模型，该模型包括热流源P1、热流源P2、热阻RT1、热容CT1、热阻RT2、热容CT2、热阻RT3、热容CT3、热阻RT4、热容CT4、热阻RT5、环境温度Ta；
热阻RT1的一端与热流源P1流出端口相连，同时热阻RT1的一端与热流源P2流出端口相连，热流源P1的流入端口与环境温度Ta的正极相连，热流源P2的流出端口与环境温度Ta的正极相连，该环境温度Ta的负极接地；
热阻RT1的一端还与热容CT1的一端相连，热容CT1的另一端与环境温度Ta的正极相连；热阻RT1的另一端与热阻RT2的一端相连，热阻RT2的一端与热容CT2的一端相连，热容CT2的另一端同时与环境温度Ta的正极相连，热阻RT2的另一端与热阻RT3的一端相连，所述热阻RT3的一端与热容CT3的一端相连，热容CT3的另一端与环境温度Ta的正极相连，热阻RT3的另一端与热阻RT4的一端相连，热阻RT4的一端与热容CT4的一端相连，热容CT4另一端与环境温度Ta的正极相连，热阻RT4的另一端与热阻RT5的一端相连，热阻RT5的另一端与环境温度Ta的正极相连，环境温度Ta的负极连接接地端。
一种GaN模块散热性能衰退的监测方法，包括结温监测、壳温监测和热特性衰退监测，其中：结温监测是在GaN模块工作在有源区时，通过恒定的栅源电压和漏源电压，测量所产生的的漏源电流，进而间接的获得结温；壳温监测则是通过在GaN模块壳上安装热电偶的方式进行测量，进而获得壳温；热特性衰退监测则是在相同的测量条件下，监测时间和温升的变化。
一种GaN模块散热性能衰退的监测方法，包括以下步骤：
(1)获得K曲线：
先将GaN模块放置在恒温箱中加热，在其达到平衡时施加功率，使GaN模块工作在有源区，采集结温Tj下的漏源电流Ids；重复上述实验，能够得到结温Tj与漏源电流Ids的多组数据，利用这些数据，拟合出描述结温Tj与漏源电流Ids之间关系的K曲线；
(2)时间监测：
首先测量GaN模块老化前后初始时，即未加脉冲功率的温度，此时壳温和结温相同，随后对GaN模块施加脉冲功率，使GaN模块工作在有源区，通过恒定的栅源电压Vgs和漏源电压Vds，测量GaN模块老化前后的漏源电流Ids，再根据描述结温Tj与漏源电流Ids之间关系的K曲线，获得模块老化前后的各自结温，当老化前的结温与初始温度之间的温升和老化后的结温与初始温度之间的温升相同时，监测老化前后模块温升相同的脉冲时间，根据脉冲时间的变化，来表征GaN模块散热性能的衰退；
(3)温升监测：
首先测量GaN模块老化前后初始时，即未加脉冲功率的温度，此时壳温和结温相同，随后对GaN模块施加脉冲功率，使GaN模块工作在有源区，在一定的脉冲时间下，通过恒定的栅源电压Vgs和漏源电压Vds，测量GaN模块老化前后的漏源电流Ids，再根据描述结温Tj与漏源电流Ids之间关系的K曲线，获得模块老化前后的各自结温，然后根据模块老化前后初始温差与加入功率后结温温差的变化来表征GaN模块散热性能的衰退。
本发明提出一种GaN模块散热性能衰退的监测电路及方法，技术效果如下：
1)本发明的GaN模块热特性衰退监测方法易于实施，可提高GaN模块的***的可靠性，具有实际的价值。
2)由于Cauer热网络模型能够反映出研究对象的热特性，具有实际的物理意义。利用老化前后测量曲线的变化形式，可以评估器件发生老化的相应物理层，及其老化程度。
附图说明
图1是本发明GaN模块老化情况的监测电路的流程图。
图2是本发明GaN模块老化情况的监测电路的电路原理图。
图3是本发明GaN模块老化情况的监测电路的状态监测图。
图4(a)是本发明GaN模块老化情况的监测方法进行时间监测得到的波形图。
图4(b)是本发明GaN模块老化情况的监测方法进行温升监测得到的波形图。
图5(a)为不同温度下GS61008P器件的输出特性曲线图。
图5(b)为结温K曲线示意图，横坐标为结温Tj，纵坐标为漏源电流Ids。
具体实施方式
如图1所示，一种GaN模块散热性能衰退的监测电路，包括：
微处理器、恒压源单元、GaN模块；
微处理器，用于控制GaN模块开通与关断，还用于采集GaN模块的漏极电流，并根据K曲线计算GaN模块结温。微处理器可采用TI公司DSP，如TMS320F28335。
恒压源单元，由两个减法运放电路和一个积分运放电路组成，用于向开通时的GaN模块提供恒定栅极电压。其电路结构如图3所示，由以下部件构成：单刀双掷开关TM，放大器OP1、OP2、OP3，MOSFET开关，非门NOT GATE，电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11，电容C1。
(1)、在放大器OP1组成的运算电路中，单刀双掷开关TM的S1脚接参考电压Vref，同时单刀双掷开关TM的S2脚也接参考电压Vref，单刀双掷开关TM的SEL脚接微处理器发出的控制输入SV，单刀双掷开关TM的漏脚D与电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端接在放大器OP1的反向输入端，放大器OP1的输出端与负反馈电阻R2的一端直接相连，负反馈电阻R2的另一端直接与放大器OP1的反向输入端相连。
由放大器OP3组成的运算电路的输出电压为放大器OP1同相端的输入电压，该输入电压与电阻R3的一端相连，电阻R3的另一端接在放大器OP1的同相输入端，电阻R4的一端直接与放大器OP1的同相输入端相连，电阻R4的另一端与地直接相连；
(2)、在放大器OP2组成的运算电路中，放大器OP1的输出电压作为该运算电路的反向输入端的输入电压，该输入电压与电阻R5的一端相连，电阻R5的另一端与放大器OP2的反向输入端相连接，放大器OP2的输出端与负反馈电阻R11的一端相连，负反馈电阻R11的另一端与负反馈电容C1的一端相连，负反馈电容C1的另一端直接接在放大器OP2的反向输入端，同时放大器OP2的输出端与MOSFET开关的漏极相连，MOSFET开关的源极直接接在放大器OP2的反向输入端，MOSFET开关的栅极与非门NOT GATE的输出端相连，非门NOT GATE的输入端与单刀双掷开关TM的漏脚D相连，电阻R6的一端与放大器OP2的同相输入端相连，电阻R6的另一端直接接地；
(3)、在放大器OP3组成的运算电路中，放大器OP2的输出端与GaN模块的栅极直接相连，GaN模块的源极接地，同时放大器OP2的输出端与电阻R8的一端相连，电阻R8的另一端接在放大器OP3的同相输入端，同时电阻R9的一端接在放大器OP3的同相输入端，电阻R9的另一端直接接地；电阻R7的一端接在放大器OP3的反相输入端，电阻R7的另一端直接接地，电阻R10的一端与放大器OP3的输出端相连，电阻R10的另一端接在放大器OP3的反相输入端，同时放大器OP3的输出端与电阻R3的一端相连，电阻R3的另一端接在放大器OP1的同相输入端。
一种GaN模块散热性能衰退的监测方法，包括结温监测、壳温监测和热特性衰退监测；其中，结温监测是在GaN模块工作在有源区时，通过恒定的栅源电压和漏源电压，测量所产生的的漏源电流，进而间接的获得结温；壳温监测则是通过在GaN模块壳上安装热电偶的方式进行测量，进而获得壳温；热特性衰退监测则是在相同的测量条件下，监测时间和温升的变化。通过对结温、壳温和热特性衰退的监测，辨别监测GaN模块的散热性能的变化，从而评估GaN模块的可靠性。
本发明的工作原理是：
(1)获得K曲线：
先将GaN模块放置在恒温箱中加热，在其达到平衡时施加功率，使GaN模块工作在有源区，采集特定温度(即结温Tj)下的漏源电流Ids；重复上述实验，可得到结温Tj与漏源电流Ids的多组数据，利用这些数据，可拟合出描述结温Tj与漏源电流Ids之间关系的K曲线，如图5所示。以GaNsystem公司产GS61008P为例，图5(a)为在Vgs＝6V，不同温度下的器件输出特性曲线，纵坐标Ids(A)表示电流流过GaN器件的漏源电流，横坐标为GaN器件的漏源压降。横坐标Tj(℃)表示GaN器件的结温，首先将GaN加热到指定的温度下，然后对GaN器件施加固定的漏源电压Vds，通过对器件施加恒定的栅源电压Vgs，测量此时流过GaN模块的漏源电流Ids。通过设定不同的温度，并重复该测量过程，可获得描述结温Tj与漏源电流Ids之间关系的K曲线，如图5(b)所示。在实际应用时，可根据需要，通过设定不同的栅源电压Vgs和漏源电压Vds，获取需要的K曲线。
(2)时间监测：首先测量GaN模块老化前后初始时(即未加脉冲功率)的温度，此时壳温和结温相同，随后对GaN模块施加脉冲功率，使GaN模块工作在有源区，通过恒定栅源电压Vgs和漏源电压Vds，测量GaN模块老化前后的漏源电流Ids，再根据描述结温Tj与漏源电流Ids之间关系的K曲线获得模块老化前后的各自结温，当老化前的结温与初始温度之间的温升和老化后的结温与初始温度之间的温升相同时，监测老化前后模块温升相同的脉冲时间，根据脉冲时间的变化来表征GaN模块散热性能的衰退。例如在图4(a)中所示，Δt为老化前后脉冲时间的变化量。
(3)温升监测：首先测量GaN模块老化前后初始时(即未加脉冲功率)的温度，此时壳温和结温相同，随后对GaN模块施加脉冲功率，使GaN模块工作在有源区，在一定的脉冲时间下，通过恒定栅源电压Vgs和漏源电压Vds，测量GaN模块老化前后的漏源电流Ids，再根据描述结温Tj与漏源电流Ids之间关系的K曲线，获得模块老化前后的各自结温，然后根据模块老化前后初始温差与加入功率后结温温差的变化来表征GaN模块散热性能的衰退。例如在图4(b)中所示，ΔTaged-ΔThealth为老化前后结温的变化量。
结温监测电路的工作原理：在第一个由运算放大器OP1所组成的减法运算电路中，反向输入端的电压是参考电压Vref，同相输入端的电压是第三个由运算放大器OP3所组成的减法运算电路的输出电压，此时第一个减法运放电路输出电压是两个输入端电压之差；在第二个由运算放大器OP2所组成的积分运算电路中，反向输入端的电压是第一个减法运放的输出电压，同相输入端经电阻R6直接与地相连，此时第二个积分运放电路的输出电压是输入电压的时间积分值，如果第一个减法运放电路的两个输入端电压相等，则此时积分运放电路输出恒定栅极电压，否则积分运放电路继续运行，直到输出稳定的栅极电压；在第三个由运算放大器OP3所组成的减法运算电路中，反向输入端经电阻R7直接接地，同相输入端的电压是积分运放电路的输出电压(即GaN模块的栅极电压)，第三个减法运放电路的输出电压和输入电压成比例关系。
如图2所示，在本实例中，将GaN模块内部结构的热网络等效为Cauer网络模型，该模型包括热流源P1、热流源P2、热阻RT1、热容CT1、热阻RT2、热容CT2、热阻RT3、热容CT3、热阻RT4、热容CT4、热阻RT5、环境温度Ta。环境温度Ta负极“-”为温度源的参考温度点，正极“+”表示相对参考温度点负极“-”的温度。
热阻RT1的一端与热流源P1流出端口相连，且热阻RT1的一端与热流源P2流入端口相连，热流源P1的流入端口与环境温度Ta的正极相连，热流源P2的流出端口与环境温度Ta的“正极相连，该环境温度Ta的负极接地，即为参考温度点为0摄氏度。
热阻RT1的一端还与热容CT1的一端相连，热容CT1的另一端与环境温度Ta的正极相连；
热阻RT1的另一端与热阻RT2的一端相连，热阻RT2的一端与热容CT2的一端相连，热容CT2的另一端同时与环境温度Ta的正极相连，热阻RT2的另一端与热阻RT3的一端相连，所述热阻RT3的一端与热容CT3的一端相连，热容CT3的另一端与环境温度Ta的正极相连，热阻RT3的另一端与热阻RT4的一端相连，热阻RT4的一端与热容CT4的一端相连，热容CT4另一端与环境温度Ta的正极相连，热阻RT4的另一端与热阻RT5的一端相连，热阻RT5的另一端与环境温度Ta的正极相连，环境温度Ta的负极连接接地端。
综上所述，对GaN模块的内部结构进行热特性分析，然后进行热模拟仿真实验，监测相应GaN模块老化前后的参数，监测的方法易于实施，对GaN模块的老化状态的评估准确，由此可以提高GaN模块的***的可靠性，具有实际的价值。

Claims (5)

1.一种GaN模块散热性能衰退的监测电路，其特征在于包括：
微处理器、恒压源单元、GaN模块；
微处理器，用于控制GaN模块开通与关断，还用于采集GaN模块的漏极电流，并计算GaN模块结温；
恒压源单元，用于向开通时的GaN模块提供恒定栅极电压。
2.根据权利要求1所述一种GaN模块散热性能衰退的监测电路，其特征在于：所述恒压源单元包括：单刀双掷开关TM，放大器OP1、OP2、OP3，MOSFET开关，非门NOT GATE，电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11，电容C1；
单刀双掷开关TM的引脚S1、引脚S2均连接参考电压Vref，单刀双掷开关TM的引脚SEL连接微处理器的控制输入SV端，单刀双掷开关TM的引脚D连接电阻R1的一端；
电阻R1的另一端连接放大器OP1的反向输入端，放大器OP1的输出端连接电阻R2的另一端，电阻R2的一端连接放大器OP1的反向输入端，电阻R2的另一端连接电阻R5的一端；
电阻R3的一端连接放大器OP3的输出端，电阻R3的另一端连接放大器OP1的同相输入端，电阻R4的一端连接放大器OP1的同相输入端，电阻R4的另一端连接接地端；
电阻R5的另一端连接放大器OP2的反向输入端，放大器OP2的输出端连接电阻R11另一端，电阻R11一端连接电容C1的另一端，电容C1的一端连接放大器OP2的反向输入端；
放大器OP2的输出端连接MOSFET开关的漏极，MOSFET开关的源极连接放大器OP2的反向输入端，MOSFET开关的栅极连接非门NOT GATE的输出端，非门NOT GATE的输入端连接单刀双掷开关TM的引脚D；
电阻R6的一端连接放大器OP2的同相输入端，电阻R6的另一端连接接地端；
放大器OP2的输出端连接GaN模块的栅极，GaN模块的源极连接接地端；
放大器OP2的输出端连接电阻R8的一端，电阻R8的另一端连接放大器OP3的同相输入端，
电阻R9的一端连接放大器OP3的同相输入端，电阻R9的另一端连接接地端；
电阻R7的一端连接放大器OP3的反相输入端，电阻R7的另一端连接接地端；
电阻R10的一端连接放大器OP3的反相输入端，电阻R10的另一端连接放大器OP3的输出端。
3.根据权利要求1所述一种GaN模块散热性能衰退的监测电路，其特征在于：所述GaN模块内部结构的热网络能够等效为Cauer网络模型，该模型包括热流源P1、热流源P2、热阻RT1、热容CT1、热阻RT2、热容CT2、热阻RT3、热容CT3、热阻RT4、热容CT4、热阻RT5、环境温度Ta；
热阻RT1的一端与热流源P1流出端口相连，同时热阻RT1的一端与热流源P2流出端口相连，热流源P1的流入端口与环境温度Ta的正极相连，热流源P2的流出端口与环境温度Ta的正极相连，该环境温度Ta的负极接地；
热阻RT1的一端还与热容CT1的一端相连，热容CT1的另一端与环境温度Ta的正极相连；热阻RT1的另一端与热阻RT2的一端相连，热阻RT2的一端与热容CT2的一端相连，热容CT2的另一端同时与环境温度Ta的正极相连，热阻RT2的另一端与热阻RT3的一端相连，所述热阻RT3的一端与热容CT3的一端相连，热容CT3的另一端与环境温度Ta的正极相连，热阻RT3的另一端与热阻RT4的一端相连，热阻RT4的一端与热容CT4的一端相连，热容CT4另一端与环境温度Ta的正极相连，热阻RT4的另一端与热阻RT5的一端相连，热阻RT5的另一端与环境温度Ta的正极相连，环境温度Ta的负极连接接地端。
4.采用如权利要求1或2或3所述监测电路的GaN模块散热性能衰退的监测方法，其特征在于：包括结温监测、壳温监测和热特性衰退监测，其中：结温监测是在GaN模块工作在有源区时，通过恒定的栅源电压和漏源电压，测量所产生的的漏源电流，进而间接的获得结温；壳温监测则是通过在GaN模块壳上安装热电偶的方式进行测量，进而获得壳温；热特性衰退监测则是在相同的测量条件下，监测时间和温升的变化。
5.采用如权利要求1或2或3所述监测电路的GaN模块散热性能衰退的监测方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)获得K曲线：
先将GaN模块放置在恒温箱中加热，在其达到平衡时施加功率，使GaN模块工作在有源区，采集结温Tj下的漏源电流Ids；重复上述实验，能够得到结温Tj与漏源电流Ids的多组数据，利用这些数据，拟合出描述结温Tj与漏源电流Ids之间关系的K曲线；
(2)时间监测：
首先测量GaN模块老化前后初始时，即未加脉冲功率的温度，此时壳温和结温相同，随后对GaN模块施加脉冲功率，使GaN模块工作在有源区，通过恒定的栅源电压Vgs和漏源电压Vds，测量GaN模块老化前后的漏源电流Ids，再根据描述结温Tj与漏源电流Ids之间关系的K曲线，获得模块老化前后的各自结温，当老化前的结温与初始温度之间的温升和老化后的结温与初始温度之间的温升相同时，监测老化前后模块温升相同的脉冲时间，根据脉冲时间的变化，来表征GaN模块散热性能的衰退；
(3)温升监测：
首先测量GaN模块老化前后初始时，即未加脉冲功率的温度，此时壳温和结温相同，随后对GaN模块施加脉冲功率，使GaN模块工作在有源区，在一定的脉冲时间下，通过恒定的栅源电压Vgs和漏源电压Vds，测量GaN模块老化前后的漏源电流Ids，再根据描述结温Tj与漏源电流Ids之间关系的K曲线，获得模块老化前后的各自结温，然后根据模块老化前后初始温差与加入功率后结温温差的变化来表征GaN模块散热性能的衰退。
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