学术综述｜Si和SiC功率器件结温提取技术现状及展望
北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院、浙江大学电气工程学院的研究人员王莉娜、邓洁等，在2019年第4期《电工技术学报》上撰文指出，对功率半导体器件结温的在线准确提取是实现器件智能控制、性能评估、主动热管理、健康状态评估及优化器件寿命等的重要基础。
本文梳理了现有基于温敏参数的Si（硅）和SiC（碳化硅）功率器件结温提取方法的机理和主要特点，从灵敏度、测量频率、侵入性和线性度等指标对已有方法进行了性能评估。在此基础上，结合SiC JFET（结型场效应晶体管）器件的温度特性，提出一种新颖的基于栅-源极间寄生PN结击穿电压的SiC JFET器件非侵入性在线结温提取方法，仿真结果证明了所提出方法的正确性和有效性。
随着功率半导体器件（简称功率器件）的技术发展与工艺进步，电力电子系统在直流输电、电源、电机驱动、微电网、可再生能源发电、储能等高效电能变换系统中发挥了越来越重要的作用，于是对电力电子系统的可靠性要求也越来越高。有关电力电子系统可靠性调研报告表明，功率器件在变流系统中失效率最高，约占34%。因此，功率器件的运行可靠性研究是电力电子系统可靠性研究的一个重点。
根据失效部位，功率器件的失效可分为两大类：芯片失效和封装失效。诱发器件芯片失效的因素主要有电气过应力、静电放电损伤、铝极金属重构、热失控等，可归纳为电击穿和热击穿两类。文献[4]提出电击穿失效的本质也是因温度过高而最终导致热击穿失效。封装失效可分为键合线失效与焊料层疲劳两种。键合线失效主要由较高的结温引起，焊料层疲劳多由长期热循环引起。虽然表现形式不同，但芯片失效和封装失效均与最高结温、结温波动幅度与变化率、平均结温等因素有关。可见，在线监控器件实时结温是监控器件及系统可靠运行的关键。
一方面，在以往的电力电子系统开发过程中，设计人员大多依靠器件数据手册，凭借经验留较大的余量。另一方面，器件数据手册通常只提供热特性参数的静态最大值，基于此得到的器件结温估计值与实际结温之间不可避免地存在偏差。
文献[8]表明，基于器件数据手册热阻抗参数及实验工况计算得到的结温比用红外摄像机得到的器件真实结温要高。为解决该问题，实际工程应用中的冷却系统通常设计得偏大，增加了系统体积、重量与成本。上述两方面均会折损系统的性价比。因此，准确的结温提取无疑将有助于提高系统单位功率密度的性价比。
同时，结温是影响器件功耗及开关特性的主要因素之一，准确的结温提取可为器件智能控制、性能评估、主动热管理、健康状态评估及优化器件寿命等方面提供重要的依据。因此，结温提取对提升功率器件及电力电子应用系统的可靠性十分重要。
本文首先分析功率器件结温在线提取的必要性，然后概述现阶段功率器件结温提取方法的国内外研究现状，特别对适用于全封装器件结温在线提取的温敏参数法进行详细的总结，在此基础上对新型碳化硅（SiC）功率器件的结温提取方法进行了展望。
1 结温在线提取的必要性
电力电子系统应用日益广泛，功率等级不断提高，对电力电子系统可靠性的要求也越来越高。实时监测器件运行状态，提取相应参数，进行故障诊断和故障预测，是提升功率器件应用可靠性的常用手段；主动热管理、智能控制等也是提高功率器件应用可靠性的重要途径。
1.1 状态监测
目前功率器件的健康状态通常通过监测通态电阻、门限电压、关断时间、门极信号等参数来判断，这些参数均与结温有关。采用铝线键合工艺封装的IGBT器件中，键合线是较为脆弱的环节，键合线的健康状况可通过通态电阻的变化来判断。
但是，芯片结温升高，载流子迁移率减小，也会引起器件通态电阻的变化。在单独使用器件通态电阻作为健康状态的监测指标时，可能会存在器件健康状态被误判的情况。其他受温度影响的状态监测参数，也存在类似的问题。因此，为了准确评估器件的健康状态，需实时在线提取器件结温，对器件健康状态监测指标进行补偿。
焊料层疲劳也是引起器件故障的一个重要因素。检测热阻的变化是判断焊料层疲劳的常用方法。目前，热阻主要通过芯片功耗、壳温及结温的关系式计算得到，也需要在线准确获取器件结温信息。
1.2 主动热管理
过热和宽幅热循环是引起功率器件故障的两个主要原因。当功率器件连续运行温度超过安全结温限制时，可能引发器件故障；宽幅热循环诱发器件物理劳损，当累计的物理劳损超过一定限度时，功率器件发生故障。这两种故障机理分别对应过热与结温循环引起的器件故障。因此，根据结温，实时调整功率变换器的功耗，实现主动热管理，利于减少相应故障的发生，提高系统的可靠性。
针对多芯片并联功率模块或多模块系统中电流分配不均导致温度分布不均引起的故障问题，文献[13]提出根据结温实时调整驱动信号大小，平衡电流分配，减小局部结温波动，提高系统可靠性。
由上述分析可知，在线准确获取实时结温信息是实现状态监控和主动热管理的关键，也是提高系统可靠性的关键。
2 常用的结温提取方法
半导体芯片通常封装在模块内部，芯片不易直接接触，结温难以直接观测。目前，国内外学者对功率器件的结温提取和检测方法进行了深入的研究，提出了多种方法。根据结温提取方法的物理特点，主要可归纳为光学法、热网络法、物理接触法和温敏参数法四类。
光学法不适用于在线测量，热网络法和物理接触法适用于在线测量，但难以获取芯片的真实结温。文献[14]已对这三类结温提取方法进行了很好的梳理，并进行了综合比较，本文不再赘述。温敏参数法适合在线测量，响应速度快、成本低，受到国内外学者的广泛关注，逐步成为目前结温在线提取的研究热点。文献[14]仅对少数几种温敏参数法进行了分析总结，仍有多种温敏参数法没有论及，本文将从不同于文献[14]的视角，更客观、更广泛地对已出现的温敏参数法进行全面梳理。
温敏参数法的物理机理在于，器件内部一些物理参数会随着结温的变化而变化，例如，本征载流子浓度和载流子寿命随温度升高而增大，载流子迁移率随温度升高而减小。内部物理参数随结温的变化使器件相应的电气参数发生偏移，外在表现为通态电阻/压降、开通/关断延时、电压/电流变化率等参数的变化，这些随结温的变化而变化的电气参数称为温敏参数。
不同温敏参数法在灵敏度、线性度、鲁棒性等方面各具优缺点，需根据具体器件及实际运行状况选择合适的温敏参数来进行结温提取。下面就国内外已出现的温敏参数的结温提取方法进行归纳总结。
3 基于温敏参数的结温提取方法（略）
众多温敏参数中，将直接受结温变化影响的参数称为直接温敏参数，这类参数有门限电压、通态电阻/压降、米勒电容以及跨导等。将受单个或多个直接温敏参数影响（相当于间接受结温变化影响）的参数称为间接温敏参数，这类参数有开通/关断延时、短路电流、电压/电流变化率等。本文基于直接温敏参数和间接温敏参数，对结温提取方法进行归类，如图1所示。下面分别对这些温敏参数法进行阐述。
图1 温敏参数法归类图
3.1 基于通态电阻/通态压降的结温提取方法
3.2 基于门限电压的结温提取方法
3.3 多温敏参数综合结温提取法
4 温敏参数法特性分析
温敏参数法因在线测量应用前景较好受到了广泛关注，但实际工程应用时需考虑如下问题：寄生参数和器件老化对结温测量的影响，温敏参数与外部电路关联对结温测量的影响，以及结温测量附加电路对系统运行的影响等。下面对温敏参数法的相关特性进行分析，并就一些关键问题进行归纳。
4.1 校正问题
温敏参数法在应用前，需对器件温敏参数进行校正以获取温敏参数与结温的函数关系。校正时，应尽可能限制器件的自热，保证器件结温与所控制的外部环境温度一致。当温敏参数与结温之间的线性关系良好时，可增大校正采样间隔，减小校正工作量。
门限电压的大小取决于栅极结构、载流子浓度等参数，生产过程中的细微差别就可能导致门限电压的分散，同一型号不同器件的门限电压存在差异。基于门限电压的结温提取方法及受门限电压影响的温敏参数法，如米勒时延法、开通时延法等，在应用之前需对每一个器件进行校正。
器件通态电阻由芯片通态电阻和连接线电阻构成。在多芯片并联的功率模块中，芯片引线阻抗随芯片在模块中的位置不同而不同，使得模块内每个芯片的通态电阻具有分散性。因此，基于通态电阻的温敏参数法需对模块内每个芯片都进行校正，工作量较大。
器件老化引起的键合线性能劣化甚至脱落将使键合线与芯片有效接触面积减小，通态电阻变大。门限电压也会随器件的老化而发生变化。在器件全生命周期末期，由老化引起的参数偏移会严重影响所有与门限电压和通态电阻有关的结温提取方法的准确性。为保证结温测量的准确性，在器件整个生命周期中可能需引入几次校正，或采取合适的补偿方法。
4.2 温敏参数法性能评估
温敏参数法能否应用于工程实际中是学术界和工业界关注的重点。评判一种温敏参数法能否应用于工程实际时，需综合考虑温敏参数自身的准确性及灵敏性、结温测量的难易程度、对测量电路的性能要求等方面。表1归纳总结了已有的温敏参数法的性能特点。不同的温敏参数法展现的特性不同，下面就这些特性进行简单的概述。
通态电阻法、小电流饱和压降法和大电流注入法的通用性最好。但是通态电阻法和大电流注入法需同时测量器件压降和负载电流，小电流饱和压降法需增添辅助恒定电流源。这三种方法对测量电路要求均较高。连接线与芯片结温变化不一致引入的偏差，会使通态电阻法、小电流饱和压降法、短路电流法等在实际应用时出现测量误差，需采用一定的方法来避免该误差的引入。
驱动电压差比法和集电极开启电压法可避免由引线温度差异引入的测量误差，但这两种方法分别在系统可靠性和灵敏度方面有一定的缺陷。大电流注入法、短路电流法、驱动电压差比法及集电极开启电压法都是在大电流情况下测量结温，校正时由大电流引入的自热不可忽视，若不采取一定的补偿措施，会导致实际结温测量时出现偏差。
表1 温敏参数法的性能评估
间接温敏参数法和基于门限电压的温敏参数法与器件的开关暂态过程有关，测量带宽由器件开关频率决定，可在每个开关周期内对器件结温进行非侵入实时监测，具有较大的应用价值。但功率器件的开关速度较快，对测量器件的带宽要求较高，温敏参数也易受变流器系统内部寄生参数引起的噪声干扰。
关于时间的温敏参数法如开通/关断时延法、米勒时延法等，灵敏度较低，传感器微小的测量误差就可能导致较大的结温测量误差，且需配备高分辨率的计时器。由此可见，传感器的测量带宽与精度是间接温敏参数法较为关键的因素。此外，校正运行工况应与实际运行工况严格一致，以得到实际结温的精确值，间接温敏参数法对运行工况，如母线电压、负载电流等，依赖程度更高，增加了功率变换器结温测量控制策略的复杂程度。
4.3 温度参数法的局限性
实际工程应用时，最高结温与结温波动对器件的可靠性影响最大。温敏参数法反映的是器件平均结温，且不同的温敏参数反映的是器件不同部位的温度。文献[26]表明门限电压主要反映器件沟道温度，MOSFET体二级管结温主要反映体二级管区域结温，而通态电阻主要反映漂移区温度。
对于通过公共端子引出公共电极的多芯片并联的功率模块，温敏参数法提取到的结温受所有并联器件的影响，不直接对应某芯片的最高结温、最低结温或平均温度。
测量电路与仪器的精度、灵敏度以及抗干扰能力也是采用温敏参数法进行结温提取时面临的一个重要挑战。由前文分析可知，不同的温敏参数结温提取方法具有不同的特点，需结合实际工况及测量需求选择合适的方法。
尽管应用温敏参数法具有一定的局限及挑战性，但其凭借响应速度快、适合在线测量等特点在所有的结温测量方法中展现出较好的发展前景。
5 SiC功率器件结温测量方法展望
与Si（硅）材料相比，SiC材料能带间隙较宽、击穿场强较高、电子饱和漂移速率较高，这些特性使SiC功率器件在高压、高温、高频领域中展现出比Si功率器件更好的发展前景。近年来，SiC器件发展迅猛，SiC SBD（肖特基二极管）、SiC JFET（结型场效应晶体管）、SiC BJT（双极结型晶体管）、SiC MOSFET等先后实现了商业化，SiC IGBT、SiC GTO等也实现了重大突破。
目前SiC器件的技术成熟度已能满足汽车牵引驱动器、航空航天设备及其他高温、高效、高频和高功率密度等不同应用的电能变换器产品的开发。随着面向不同应用背景的SiC电能变换器产品和工业样机的研制成功，SiC器件的温度特性及高温下的长期可靠性问题开始成为学术界和工业界关注的重点。
5.1 温敏参数法应用于SiC功率器件时存在的问题
目前，SiC功率器件的结温提取研究尚处于初期阶段，由于半导体材料特性、器件结构、制作工艺等与Si功率器件存在差异，探索SiC功率器件温敏参数结温提取方法时，需要注意以下几个问题：
（1）与Si功率器件相比，SiC功率器件开关速度更快，电压、电流变化率更大，可以工作在更高的开关频率。测量电路与仪器的精度及开关噪声对测量电路的影响是运用开关暂态温敏参数（与开关暂态过程相关的温敏参数）提取结温时需重点考虑的问题。
（2）SiC功率器件开关速度快，电压、电流变化率与寄生电容、电感耦合产生的影响更严重，开关换流瞬态过程中电压、电流波形振荡相对来说较为严重。功率环路的电压、电流振荡可通过米勒电容影响驱动回路的暂态特性，无疑会增加驱动回路暂态温敏参数法的测量难度。
（3）由于半导体材料、微观物理参数及结构的不同，SiC功率器件的温度特性与Si功率器件之间存在差异。例如：通过测量Si功率器件的米勒电容充放电时间，可提取器件的结温信息，但相同电压-电流等级的SiC功率器件的米勒电容比Si功率器件小，SiC功率器件米勒电容的充放电时间更短，测量更为困难；SiC材料击穿场强约为Si材料的10倍，较薄的漂移层可实现较高的耐压，在相同耐压情况下，SiC器件的单位面积导通电阻更低，因而对基于通态电阻的温敏参数法测量仪器精度要求较高。因此，研究SiC器件的结温提取方法，不能原封不动照搬Si器件的结温提取方法。
（4）不同的SiC功率器件，结构存在差异，需根据器件结温变化的个性与共性进行归纳研究。例如：导通状态下SiC JFET和SiC MOSFET均可视为阻性元件，虽然在室温以上，SiC MOSFET通态电阻整体上呈现出正温度特性，但受SiC MOSFET栅极氧化层的影响，其沟道电阻呈现出负温度特性，因此，相较于SiC JFET器件，SiC MOSFET通态电阻的温度特性变化幅度较小。
若将通态电阻作为SiC MOSFET的温敏参数，则其灵敏度不高，测量难度较大，准确性也难以保证，因此需考虑使用其他温敏参数进行结温测量。SiC JFET器件栅源极间寄生有PN结，可运用该PN结的温度特性探索适用于SiC JFET的结温提取方法；而SiC MOSFET器件栅源极间没有寄生PN结，该方法不适用于SiC MOSFET器件。
因此，实际应用时，须根据SiC功率器件的物理结构，结合材料特性和工作机理，针对具体的器件进行研究。
5.2 已有的基于温敏参数的SiC功率器件结温提取方法
国内外已有学者基于温敏参数法探索研究了SiC功率器件结温提取方法，下面对已有的研究进行归纳分析。
文献[43]提出，常断型SiC JFET器件的通态电阻和栅-源正向导通压降vGS均为温敏参数，可通过监测这两个参数的变化来反映器件结温。
通态电阻法的校正方法和测量电路与Si功率器件的类似，但同等耐压下，SiC功率器件的通态电阻值较小，对测量仪器的精度要求更高，且同样存在连接线温度与芯片结温不一致及键合线老化带来的影响。栅-源正向导通压降法适用于器件导通阶段，但受栅极电流的影响，需同时监测栅极电流和栅-源电压，不同栅极电流下该方法的灵敏度变化不大，且灵敏度不高，仅为2mV/℃。
SiC JFET功率器件饱和电流具有负温度特性，文献[44]提出将器件的饱和电流作为温敏参数，在栅-源电压一定的情况下，测量恒定漏-源电压下的饱和电流。饱和电流法的灵敏度高，线性度较好，但使用该方法测量器件的饱和电流时，需改变器件的控制策略，这样会对系统的运行状况有一定影响，因而侵入性较大。
文献[45]指出SiC器件的正向饱和压降随结温的变化而变化，可利用小电流饱和压降法来测量SiC器件的结温。该方法通用性较强，适用于SiC功率开关器件及SiC功率二极管，但灵敏度不够理想。对于具有体二极管的SiC JFET和SiC MOSFET器件，可通过检测器件关断状态下体二极管通态压降来反映器件结温。该方法线性度较好，但灵敏度仅为2mV/℃，且体二极管温度不能表征器件最大功率损耗点的温度。
关断时延法应用于SiC功率开关器件时，灵敏度较低，仅为几十ps/℃，实际测量难度较大，可能会造成较大的结温测量误差。增大外部栅极电阻或等效输入电容可增大器件的关断延时，因此文献[46]提出了增添驱动辅助电路的方法，结温测量时，启动辅助电路，增大外部驱动电阻来增大器件关断延时，正常运行时，恢复较小的驱动电阻，以满足较快的开关速度。
该方法应用于SiC MOSFET器件时，灵敏度可从几十ps/℃上升到几百ps/℃，且对系统的正常运行影响不大。与该方法类似，文献[47]通过检测开通过程中的diDS/dt来反映SiC MOSFET器件的结温，提出在对器件进行结温测量时，增大栅极驱动电阻来提高diDS/dt温敏参数法的灵敏度，正常运行时采用较小的驱动电阻。
综上可见，SiC功率器件的在线结温提取方法要难于Si功率器件，国内外学者正在努力探索SiC功率器件温敏参数法存在的问题及可能的解决办法。针对存在问题寻找有效的解决方法，或根据SiC功率器件新特性发掘更有应用价值的温敏参数法，是SiC功率器件温敏参数结温提取方法的两大研究方向。
5.3 提出的SiC JFET器件结温提取方法
本研究团队亦对SiC JFET功率器件温敏参数结温提取方法进行了探索研究。
经深入分析SiC JFET器件的温度特性发现，SiC JFET器件栅-源极间寄生PN结的击穿电压vG,br也是温敏参数。据此，本文创新性地提出基于vG,br参数的SiC JFET结温提取方法，测量电路示意图如图10所示。与传统驱动电路相比，该驱动电路增添了DRC并联电路。其中电阻Rp较大，用来限定JFET关断状态下的栅极电流；二极管VD为器件开通过程提供低阻抗通道；电容C用来加快器件的开关速度。
当栅极驱动负向电压VLow低于JFET栅-源PN结击穿电压时，栅-源电压近似等于vG,br，DRC电路承担VLow与vG,br之间的电压差。由于vG,br具有温度特性，在VLow恒定的情况下，通过检测Rp上的压降vRp可间接反映vG,br随结温变化的规律。
图10 DRC电压提取测试电路
基于SiC JFET功率器件的仿真模型，在Saber中对图10测试电路进行仿真，温度从25℃变化到175℃时，得到的vRp与结温的关系曲线如图11所示。
图11 vRp-Tj关系仿真曲线
由图11可见，该方法具有较高的灵敏度，但线性度不十分理想，需增加校正点数。vG,br参数提取电路简单，位于器件驱动回路，测量电路的电压、电流应力小，可集成性高，可在器件关断时进行，实现非侵入性测量。因此，该方法不失为SiC JFET功率器件结温提取的一种有效思路，实际应用时可能存在的问题有待进一步研究。
本文系统梳理了基于温敏参数的Si功率器件的结温提取方法、原理及典型特征等，从多个角度对已出现的各种温敏参数法进行了归纳分析和比较，并概述了现有温敏参数法的校正问题、性能评估及局限性。此外，本文还对现有的较为典型的SiC功率器件结温提取方法进行了归纳分析，并展望了一种新颖的SiC JFET功率器件结温提取方法。希望本文的工作可为功率器件可靠性研究和寿命预测方法提供参考。