中国科学院电工研究所“十四五”电驱系统健康管理系列成果报道：SiC MOSFET栅漏电流在线监测方法

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导语

“十四五”期间，中国科学院电工研究所高密度电磁动力与系统全国重点实验室牵头承担国家重点研发计划新能源汽车专项，聚焦车用电驱系统核心部件，围绕机理建模—在线感知—故障辨识—寿命预判完整技术链，开展健康管理基础理论与关键技术攻关。针对高功率密度、宽域动态载荷及高可靠长寿命的严苛需求，团队以物理机理为基础，厘清故障表征和演化规律，突破多参量解耦与非侵入式在线测量难题；以AI赋能为杠杆，将智能算法融入物理模型，驱动全生命周期健康管理效能的质变，构建了监测、诊断与寿命评估三位一体的完整技术体系。后续本公众号将对该系列代表性成果进行连载报道。

近日，中国科学院电工研究所范涛所在团队在IEEE Transactions on Power Electronics上发表了最新论文《Online Gate Leakage Current Monitoring for SiC MOSFET Based on Average Gate Drive Current Extraction》，提出一套基于平均栅极驱动电流提取的栅漏电流在线监测方法，实现亚微安级监测分辨率，低成本、不干扰变换器正常运行，可适配各类隔离栅极驱动拓扑。

研究背景与意义

碳化硅（SiC）MOSFET凭借高频、高压、耐高温优势，全面渗透新能源汽车、光伏储能、工业电源领域。但相比硅基IGBT，SiC栅氧化层更薄，长期高温高压工况下极易出现栅氧退化，栅漏电流Igss激增是器件失效最核心前兆。健康 SiC MOSFET器件 Igss仅百纳安级别，开关瞬态栅电流却可达数安培，巨大动态范围给在线监测带来巨大挑战。

现有监测技术短板突出，传统栅电阻采样仅能识别毫安级漏电流，预警能力滞后；电荷积分、电流镜方案分辨率不足；高精度源极电位漂移法仅适配双极性栅驱动，通用性差且需要频繁温度校准。行业长期缺少一套兼顾高精度、全拓扑兼容、低成本、无扰动运行的在线监测方案。为此，本文提出一种符合上述要求的SiC MOSFET栅漏电流监测方案，填补了业界空缺。

核心方法与创新

本文跳出直接采集瞬时栅电流的传统思路，提出基于平均栅驱动电流提取的栅漏电流监测方法，依靠正负平均栅极电流差值表征器件漏电水平，整套方案全部采用通用低成本模拟器件搭建，无需复杂数字运算。

图1 所提栅极漏电流在线监测电路原理图

设计了专门的信号调理电路，其可将nA级别电流量转换为ms级别的脉宽量以实现漏电流精准测量。在提取漏电流期间，只需给予监测电路一个触发沿，并维持SiC MOSFET原有的PWM驱动信号，即可实现漏电流准确监测。

图2 漏电流监测电路模态分析

实验验证与实际应用

搭建100kHz高频SiC基Boost变换器实验平台，选用商用第三代1.2kV SiC MOSFET完成全工况测试，各项指标均满足工程使用需求。实验结果表明，最低可识别500nA微弱漏电流，实现亚微安级监测分辨率，完整覆盖器件早期退化区间；最小老化信号工况最大相对误差9.23%，漏电流升高至μA级别后误差稳定低于3%；在0.35、0.5、0.65多档占空比下归一化处理后，整体误差控制在15%以内，工程应用可接受；直流母线电压0-400V、输出功率200-400W范围内变动时，监测数据无明显偏移，不受负载、母线电压波动影响。

图3 实验平台实物图

图4 所提方法误差曲线

结论

本文提出一种可实现亚微安级分辨率的栅极漏电流Igss在线监测方法。该方法基于正负平均栅极驱动电流Ig+、Ig-与Igss三者之间的物理关系，设计电路将瞬时栅极驱动电流ig平均化为直流分量。为降低系统对高精度模数转换器（ADC）的依赖，提取得到的Igss被转换为脉宽信号，由微控制器（MCU）直接采集。研究在高频Boost变换器平台上完成Igss在线估算实验验证。

实验结果表明：所设计电路不会干扰变换器正常工作；同时证实该方法能够有效监测被测件（DUT）在真实栅氧退化过程中的Igss变化。

团队介绍

中国科学院电工研究所高功率密度电气驱动及电动汽车技术研究部成立于1997年，是“高密度电磁动力与系统全国重点实验室”的重要组成部分，主要研究方向为电力电子与电力传动，定位于高功率密度发电/驱动系统技术研究及其在电动汽车等电气化交通工具中的应用。

研究部与新能源车行业同步成长，自“九五”以来，主持研发了我国第一台电动轿车用数字化交流电机驱动系统、第一套燃料电池轻型客车用电-电混合能源动力系统；“十三五”、“十四五”期间，在高密度电机系统的拓扑与构型理论、高性能控制方法、健康管理与寿命预测技术等方面取得多项创新成果，持续引领国内高功率密度全SiC电机驱动系统的发展。

近年来，研究部将高功率密度电驱动技术向电气化航空领域延伸，面向新型电动飞行器对动力系统功重比、可靠性与环境适应性的严苛要求，主持研制了中国商飞某型新能源飞机用电驱系统，突破了纯风冷构型下电-磁-热-结构一体化集成、功率模块高载荷热管理、高空机载环境下的电磁兼容等关键技术，支撑飞机完成飞行验证。

温旭辉

中国科学院电工研究所研究员，高密度电磁动力与系统全国重点实验室学术委员会委员，高密度电气驱动及电动汽车技术研究部团队创始人。中国电工技术学会会士，中国电工技术学会电动车辆专委会主任委员。长期从事高密度电力电子集成、永磁电机控制等技术研究，作为项目负责人承担了数十项新能源汽车电驱动相关的国家及部委级项目，研究领域得到国家科技部、基金委、中国科学院、北京市科委和企业的大力资助。

范涛

中国科学院电工研究所研究员，高密度电磁动力与系统全国重点实验室副主任。长期从事高密度电机系统基础理论研究、关键技术攻关和重大装备研制工作。担任某型重要地面突击车辆用飞轮发电系统总师，某型重要飞行平台用涡轮发电系统副总指挥，电工技术学会电动车辆专委会委员，电源学会交通电气化专业委员会委员。在高密度电机系统方面发表学术论文100余篇，专著1本，SCI他引782次，获得国家发明专利授权90余项。

欧阳文远

博士研究生，研究方向为第三代宽禁带半导体状态监测和寿命预测技术。

本工作成果发表在2026年第1期《IEEE Transactions on Power Electronics》，论文标题为"Online Gate Leakage Current Monitoring for SiC MOSFET Based on Average Gate Drive Current Extraction"。

引用本文

W. Ouyang et al., "Online Gate Leakage Current Monitoring for SiC MOSFET Based on Average Gate Drive Current Extraction," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 41, no. 1, pp. 150-155, Jan. 2026, doi: 10.1109/TPEL.2025.3603864.