隨著功率半導體器件（簡稱功率器件）的技術發展與工藝進步，電力電子系統在直流輸電、電源、電機驅動、微電網、可再生能源發電、儲能等高效電能變換系統中發揮了越來越重要的作用，于是對電力電子系統的可靠性要求也越來越高。有關電力電子系統可靠性調研報告表明，功率器件在變流系統中失效率最高，約占34%。因此，功率器件的運行可靠性研究是電力電子系統可靠性研究的一個重點。

根據失效部位，功率器件的失效可分為兩大類：芯片失效和封裝失效。誘發器件芯片失效的因素主要有電氣過應力、靜電放電損傷、鋁極金屬重構、熱失控等，可歸納為電擊穿和熱擊穿兩類。文獻[4]提出電擊穿失效的本質也是因溫度過高而最終導致熱擊穿失效。封裝失效可分為鍵合線失效與焊料層疲勞兩種。鍵合線失效主要由較高的結溫引起，焊料層疲勞多由長期熱循環引起。雖然表現形式不同，但芯片失效和封裝失效均與最高結溫、結溫波動幅度與變化率、平均結溫等因素有關。可見，在線監控器件實時結溫是監控器件及系統可靠運行的關鍵。

一方面，在以往的電力電子系統開發過程中，設計人員大多依靠器件數據手冊，憑借經驗留較大的余量。另一方面，器件數據手冊通常只提供熱特性參數的靜態最大值，基于此得到的器件結溫估計值與實際結溫之間不可避免地存在偏差。

文獻[8]表明，基于器件數據手冊熱阻抗參數及實驗工況計算得到的結溫比用紅外攝像機得到的器件真實結溫要高。為解決該問題，實際工程應用中的冷卻系統通常設計得偏大，增加了系統體積、重量與成本。上述兩方面均會折損系統的性價比。因此，準確的結溫提取無疑將有助于提高系統單位功率密度的性價比。

同時，結溫是影響器件功耗及開關特性的主要因素之一，準確的結溫提取可為器件智能控制、性能評估、主動熱管理、健康狀態評估及優化器件壽命等方面提供重要的依據。因此，結溫提取對提升功率器件及電力電子應用系統的可靠性十分重要。

本文首先分析功率器件結溫在線提取的必要性，然后概述現階段功率器件結溫提取方法的國內外研究現狀，特別對適用于全封裝器件結溫在線提取的溫敏參數法進行詳細的總結，在此基礎上對新型碳化硅（SiC）功率器件的結溫提取方法進行了展望。

1 結溫在線提取的必要性

電力電子系統應用日益廣泛，功率等級不斷提高，對電力電子系統可靠性的要求也越來越高。實時監測器件運行狀態，提取相應參數，進行故障診斷和故障預測，是提升功率器件應用可靠性的常用手段；主動熱管理、智能控制等也是提高功率器件應用可靠性的重要途徑。

1.1 狀態監測

目前功率器件的健康狀態通常通過監測通態電阻、門限電壓、關斷時間、門極信號等參數來判斷，這些參數均與結溫有關。采用鋁線鍵合工藝封裝的IGBT器件中，鍵合線是較為脆弱的環節，鍵合線的健康狀況可通過通態電阻的變化來判斷。

但是，芯片結溫升高，載流子遷移率減小，也會引起器件通態電阻的變化。在單獨使用器件通態電阻作為健康狀態的監測指標時，可能會存在器件健康狀態被誤判的情況。其他受溫度影響的狀態監測參數，也存在類似的問題。因此，為了準確評估器件的健康狀態，需實時在線提取器件結溫，對器件健康狀態監測指標進行補償。

焊料層疲勞也是引起器件故障的一個重要因素。檢測熱阻的變化是判斷焊料層疲勞的常用方法。目前，熱阻主要通過芯片功耗、殼溫及結溫的關系式計算得到，也需要在線準確獲取器件結溫信息。

1.2 主動熱管理

過熱和寬幅熱循環是引起功率器件故障的兩個主要原因。當功率器件連續運行溫度超過安全結溫限制時，可能引發器件故障；寬幅熱循環誘發器件物理勞損，當累計的物理勞損超過一定限度時，功率器件發生故障。這兩種故障機理分別對應過熱與結溫循環引起的器件故障。因此，根據結溫，實時調整功率變換器的功耗，實現主動熱管理，利于減少相應故障的發生，提高系統的可靠性。

針對多芯片并聯功率模塊或多模塊系統中電流分配不均導致溫度分布不均引起的故障問題，文獻[13]提出根據結溫實時調整驅動信號大小，平衡電流分配，減小局部結溫波動，提高系統可靠性。

由上述分析可知，在線準確獲取實時結溫信息是實現狀態監控和主動熱管理的關鍵，也是提高系統可靠性的關鍵。

2 常用的結溫提取方法

半導體芯片通常封裝在模塊內部，芯片不易直接接觸，結溫難以直接觀測。目前，國內外學者對功率器件的結溫提取和檢測方法進行了深入的研究，提出了多種方法。根據結溫提取方法的物理特點，主要可歸納為光學法、熱網絡法、物理接觸法和溫敏參數法四類。

光學法不適用于在線測量，熱網絡法和物理接觸法適用于在線測量，但難以獲取芯片的真實結溫。文獻[14]已對這三類結溫提取方法進行了很好的梳理，并進行了綜合比較，本文不再贅述。溫敏參數法適合在線測量，響應速度快、成本低，受到國內外學者的廣泛關注，逐步成為目前結溫在線提取的研究熱點。文獻[14]僅對少數幾種溫敏參數法進行了分析總結，仍有多種溫敏參數法沒有論及，本文將從不同于文獻[14]的視角，更客觀、更廣泛地對已出現的溫敏參數法進行全面梳理。

溫敏參數法的物理機理在于，器件內部一些物理參數會隨著結溫的變化而變化，例如，本征載流子濃度和載流子壽命隨溫度升高而增大，載流子遷移率隨溫度升高而減小。內部物理參數隨結溫的變化使器件相應的電氣參數發生偏移，外在表現為通態電阻/壓降、開通/關斷延時、電壓/電流變化率等參數的變化，這些隨結溫的變化而變化的電氣參數稱為溫敏參數。

不同溫敏參數法在靈敏度、線性度、魯棒性等方面各具優缺點，需根據具體器件及實際運行狀況選擇合適的溫敏參數來進行結溫提取。下面就國內外已出現的溫敏參數的結溫提取方法進行歸納總結。

3 基于溫敏參數的結溫提取方法（略）

眾多溫敏參數中，將直接受結溫變化影響的參數稱為直接溫敏參數，這類參數有門限電壓、通態電阻/壓降、米勒電容以及跨導等。將受單個或多個直接溫敏參數影響（相當于間接受結溫變化影響）的參數稱為間接溫敏參數，這類參數有開通/關斷延時、短路電流、電壓/電流變化率等。本文基于直接溫敏參數和間接溫敏參數，對結溫提取方法進行歸類，如圖1所示。下面分別對這些溫敏參數法進行闡述。

圖1 溫敏參數法歸類圖

3.1 基于通態電阻/通態壓降的結溫提取方法

3.2 基于門限電壓的結溫提取方法

3.3 多溫敏參數綜合結溫提取法

4 溫敏參數法特性分析

溫敏參數法因在線測量應用前景較好受到了廣泛關注，但實際工程應用時需考慮如下問題：寄生參數和器件老化對結溫測量的影響，溫敏參數與外部電路關聯對結溫測量的影響，以及結溫測量附加電路對系統運行的影響等。下面對溫敏參數法的相關特性進行分析，并就一些關鍵問題進行歸納。

4.1 校正問題

溫敏參數法在應用前，需對器件溫敏參數進行校正以獲取溫敏參數與結溫的函數關系。校正時，應盡可能限制器件的自熱，保證器件結溫與所控制的外部環境溫度一致。當溫敏參數與結溫之間的線性關系良好時，可增大校正采樣間隔，減小校正工作量。

門限電壓的大小取決于柵極結構、載流子濃度等參數，生產過程中的細微差別就可能導致門限電壓的分散，同一型號不同器件的門限電壓存在差異。基于門限電壓的結溫提取方法及受門限電壓影響的溫敏參數法，如米勒時延法、開通時延法等，在應用之前需對每一個器件進行校正。

器件通態電阻由芯片通態電阻和連接線電阻構成。在多芯片并聯的功率模塊中，芯片引線阻抗隨芯片在模塊中的位置不同而不同，使得模塊內每個芯片的通態電阻具有分散性。因此，基于通態電阻的溫敏參數法需對模塊內每個芯片都進行校正，工作量較大。

器件老化引起的鍵合線性能劣化甚至脫落將使鍵合線與芯片有效接觸面積減小，通態電阻變大。門限電壓也會隨器件的老化而發生變化。在器件全生命周期末期，由老化引起的參數偏移會嚴重影響所有與門限電壓和通態電阻有關的結溫提取方法的準確性。為保證結溫測量的準確性，在器件整個生命周期中可能需引入幾次校正，或采取合適的補償方法。

4.2 溫敏參數法性能評估

溫敏參數法能否應用于工程實際中是學術界和工業界關注的重點。評判一種溫敏參數法能否應用于工程實際時，需綜合考慮溫敏參數自身的準確性及靈敏性、結溫測量的難易程度、對測量電路的性能要求等方面。表1歸納總結了已有的溫敏參數法的性能特點。不同的溫敏參數法展現的特性不同，下面就這些特性進行簡單的概述。

通態電阻法、小電流飽和壓降法和大電流注入法的通用性最好。但是通態電阻法和大電流注入法需同時測量器件壓降和負載電流，小電流飽和壓降法需增添輔助恒定電流源。這三種方法對測量電路要求均較高。連接線與芯片結溫變化不一致引入的偏差，會使通態電阻法、小電流飽和壓降法、短路電流法等在實際應用時出現測量誤差，需采用一定的方法來避免該誤差的引入。

驅動電壓差比法和集電極開啟電壓法可避免由引線溫度差異引入的測量誤差，但這兩種方法分別在系統可靠性和靈敏度方面有一定的缺陷。大電流注入法、短路電流法、驅動電壓差比法及集電極開啟電壓法都是在大電流情況下測量結溫，校正時由大電流引入的自熱不可忽視，若不采取一定的補償措施，會導致實際結溫測量時出現偏差。

表1 溫敏參數法的性能評估

間接溫敏參數法和基于門限電壓的溫敏參數法與器件的開關暫態過程有關，測量帶寬由器件開關頻率決定，可在每個開關周期內對器件結溫進行非侵入實時監測，具有較大的應用價值。但功率器件的開關速度較快，對測量器件的帶寬要求較高，溫敏參數也易受變流器系統內部寄生參數引起的噪聲干擾。

關于時間的溫敏參數法如開通/關斷時延法、米勒時延法等，靈敏度較低，傳感器微小的測量誤差就可能導致較大的結溫測量誤差，且需配備高分辨率的計時器。由此可見，傳感器的測量帶寬與精度是間接溫敏參數法較為關鍵的因素。此外，校正運行工況應與實際運行工況嚴格一致，以得到實際結溫的精確值，間接溫敏參數法對運行工況，如母線電壓、負載電流等，依賴程度更高，增加了功率變換器結溫測量控制策略的復雜程度。

4.3 溫度參數法的局限性

實際工程應用時，最高結溫與結溫波動對器件的可靠性影響最大。溫敏參數法反映的是器件平均結溫，且不同的溫敏參數反映的是器件不同部位的溫度。文獻[26]表明門限電壓主要反映器件溝道溫度，MOSFET體二級管結溫主要反映體二級管區域結溫，而通態電阻主要反映漂移區溫度。

對于通過公共端子引出公共電極的多芯片并聯的功率模塊，溫敏參數法提取到的結溫受所有并聯器件的影響，不直接對應某芯片的最高結溫、最低結溫或平均溫度。

測量電路與儀器的精度、靈敏度以及抗干擾能力也是采用溫敏參數法進行結溫提取時面臨的一個重要挑戰。由前文分析可知，不同的溫敏參數結溫提取方法具有不同的特點，需結合實際工況及測量需求選擇合適的方法。

盡管應用溫敏參數法具有一定的局限及挑戰性，但其憑借響應速度快、適合在線測量等特點在所有的結溫測量方法中展現出較好的發展前景。

5 SiC功率器件結溫測量方法展望

與Si（硅）材料相比，SiC材料能帶間隙較寬、擊穿場強較高、電子飽和漂移速率較高，這些特性使SiC功率器件在高壓、高溫、高頻領域中展現出比Si功率器件更好的發展前景。近年來，SiC器件發展迅猛，SiC SBD（肖特基二極管）、SiC JFET（結型場效應晶體管）、SiC BJT（雙極結型晶體管）、SiC MOSFET等先后實現了商業化，SiC IGBT、SiC GTO等也實現了重大突破。

目前SiC器件的技術成熟度已能滿足汽車牽引驅動器、航空航天設備及其他高溫、高效、高頻和高功率密度等不同應用的電能變換器產品的開發。隨著面向不同應用背景的SiC電能變換器產品和工業樣機的研制成功，SiC器件的溫度特性及高溫下的長期可靠性問題開始成為學術界和工業界關注的重點。

5.1 溫敏參數法應用于SiC功率器件時存在的問題

目前，SiC功率器件的結溫提取研究尚處于初期階段，由于半導體材料特性、器件結構、制作工藝等與Si功率器件存在差異，探索SiC功率器件溫敏參數結溫提取方法時，需要注意以下幾個問題：

（1）與Si功率器件相比，SiC功率器件開關速度更快，電壓、電流變化率更大，可以工作在更高的開關頻率。測量電路與儀器的精度及開關噪聲對測量電路的影響是運用開關暫態溫敏參數（與開關暫態過程相關的溫敏參數）提取結溫時需重點考慮的問題。

（2）SiC功率器件開關速度快，電壓、電流變化率與寄生電容、電感耦合產生的影響更嚴重，開關換流瞬態過程中電壓、電流波形振蕩相對來說較為嚴重。功率環路的電壓、電流振蕩可通過米勒電容影響驅動回路的暫態特性，無疑會增加驅動回路暫態溫敏參數法的測量難度。

（3）由于半導體材料、微觀物理參數及結構的不同，SiC功率器件的溫度特性與Si功率器件之間存在差異。例如：通過測量Si功率器件的米勒電容充放電時間，可提取器件的結溫信息，但相同電壓-電流等級的SiC功率器件的米勒電容比Si功率器件小，SiC功率器件米勒電容的充放電時間更短，測量更為困難；SiC材料擊穿場強約為Si材料的10倍，較薄的漂移層可實現較高的耐壓，在相同耐壓情況下，SiC器件的單位面積導通電阻更低，因而對基于通態電阻的溫敏參數法測量儀器精度要求較高。因此，研究SiC器件的結溫提取方法，不能原封不動照搬Si器件的結溫提取方法。

（4）不同的SiC功率器件，結構存在差異，需根據器件結溫變化的個性與共性進行歸納研究。例如：導通狀態下SiC JFET和SiC MOSFET均可視為阻性元件，雖然在室溫以上，SiC MOSFET通態電阻整體上呈現出正溫度特性，但受SiC MOSFET柵極氧化層的影響，其溝道電阻呈現出負溫度特性，因此，相較于SiC JFET器件，SiC MOSFET通態電阻的溫度特性變化幅度較小。

若將通態電阻作為SiC MOSFET的溫敏參數，則其靈敏度不高，測量難度較大，準確性也難以保證，因此需考慮使用其他溫敏參數進行結溫測量。SiC JFET器件柵源極間寄生有PN結，可運用該PN結的溫度特性探索適用于SiC JFET的結溫提取方法；而SiC MOSFET器件柵源極間沒有寄生PN結，該方法不適用于SiC MOSFET器件。

因此，實際應用時，須根據SiC功率器件的物理結構，結合材料特性和工作機理，針對具體的器件進行研究。

5.2 已有的基于溫敏參數的SiC功率器件結溫提取方法

國內外已有學者基于溫敏參數法探索研究了SiC功率器件結溫提取方法，下面對已有的研究進行歸納分析。

文獻[43]提出，常斷型SiC JFET器件的通態電阻和柵-源正向導通壓降vGS均為溫敏參數，可通過監測這兩個參數的變化來反映器件結溫。

通態電阻法的校正方法和測量電路與Si功率器件的類似，但同等耐壓下，SiC功率器件的通態電阻值較小，對測量儀器的精度要求更高，且同樣存在連接線溫度與芯片結溫不一致及鍵合線老化帶來的影響。柵-源正向導通壓降法適用于器件導通階段，但受柵極電流的影響，需同時監測柵極電流和柵-源電壓，不同柵極電流下該方法的靈敏度變化不大，且靈敏度不高，僅為◆2mV/℃。

SiC JFET功率器件飽和電流具有負溫度特性，文獻[44]提出將器件的飽和電流作為溫敏參數，在柵-源電壓一定的情況下，測量恒定漏-源電壓下的飽和電流。飽和電流法的靈敏度高，線性度較好，但使用該方法測量器件的飽和電流時，需改變器件的控制策略，這樣會對系統的運行狀況有一定影響，因而侵入性較大。

文獻[45]指出SiC器件的正向飽和壓降隨結溫的變化而變化，可利用小電流飽和壓降法來測量SiC器件的結溫。該方法通用性較強，適用于SiC功率開關器件及SiC功率二極管，但靈敏度不夠理想。對于具有體二極管的SiC JFET和SiC MOSFET器件，可通過檢測器件關斷狀態下體二極管通態壓降來反映器件結溫。該方法線性度較好，但靈敏度僅為◆2mV/℃，且體二極管溫度不能表征器件最大功率損耗點的溫度。

關斷時延法應用于SiC功率開關器件時，靈敏度較低，僅為幾十ps/℃，實際測量難度較大，可能會造成較大的結溫測量誤差。增大外部柵極電阻或等效輸入電容可增大器件的關斷延時，因此文獻[46]提出了增添驅動輔助電路的方法，結溫測量時，啟動輔助電路，增大外部驅動電阻來增大器件關斷延時，正常運行時，恢復較小的驅動電阻，以滿足較快的開關速度。

該方法應用于SiC MOSFET器件時，靈敏度可從幾十ps/℃上升到幾百ps/℃，且對系統的正常運行影響不大。與該方法類似，文獻[47]通過檢測開通過程中的diDS/dt來反映SiC MOSFET器件的結溫，提出在對器件進行結溫測量時，增大柵極驅動電阻來提高diDS/dt溫敏參數法的靈敏度，正常運行時采用較小的驅動電阻。

綜上可見，SiC功率器件的在線結溫提取方法要難于Si功率器件，國內外學者正在努力探索SiC功率器件溫敏參數法存在的問題及可能的解決辦法。針對存在問題尋找有效的解決方法，或根據SiC功率器件新特性發掘更有應用價值的溫敏參數法，是SiC功率器件溫敏參數結溫提取方法的兩大研究方向。

5.3 提出的SiC JFET器件結溫提取方法

本研究團隊亦對SiC JFET功率器件溫敏參數結溫提取方法進行了探索研究。

經深入分析SiC JFET器件的溫度特性發現，SiC JFET器件柵-源極間寄生PN結的擊穿電壓vG,br也是溫敏參數。據此，本文創新性地提出基于vG,br參數的SiC JFET結溫提取方法，測量電路示意圖如圖10所示。與傳統驅動電路相比，該驅動電路增添了DRC并聯電路。其中電阻Rp較大，用來限定JFET關斷狀態下的柵極電流；二極管VD為器件開通過程提供低阻抗通道；電容C用來加快器件的開關速度。

當柵極驅動負向電壓VLow低于JFET柵-源PN結擊穿電壓時，柵-源電壓近似等于vG,br，DRC電路承擔VLow與vG,br之間的電壓差。由于vG,br具有溫度特性，在VLow恒定的情況下，通過檢測Rp上的壓降vRp可間接反映vG,br隨結溫變化的規律。

圖10 DRC電壓提取測試電路

基于SiC JFET功率器件的仿真模型，在Saber中對圖10測試電路進行仿真，溫度從25℃變化到175℃時，得到的vRp與結溫的關系曲線如圖11所示。

圖11 vRp-Tj關系仿真曲線

由圖11可見，該方法具有較高的靈敏度，但線性度不十分理想，需增加校正點數。vG,br參數提取電路簡單，位于器件驅動回路，測量電路的電壓、電流應力小，可集成性高，可在器件關斷時進行，實現非侵入性測量。因此，該方法不失為SiC JFET功率器件結溫提取的一種有效思路，實際應用時可能存在的問題有待進一步研究。

結論

本文系統梳理了基于溫敏參數的Si功率器件的結溫提取方法、原理及典型特征等，從多個角度對已出現的各種溫敏參數法進行了歸納分析和比較，并概述了現有溫敏參數法的校正問題、性能評估及局限性。此外，本文還對現有的較為典型的SiC功率器件結溫提取方法進行了歸納分析，并展望了一種新穎的SiC JFET功率器件結溫提取方法。希望本文的工作可為功率器件可靠性研究和壽命預測方法提供參考。