原标题：SiC MOSFET的实时结温监控电路测量方案

SiC MOSFET的实时结温监控电路测量方案

引言

碳化硅（SiC）作为第三代半导体材料，以其优异的耐高压、耐高温和低损耗等特性，正在逐步替代传统的硅基材料，特别是在电力电子设备中的应用。SiC MOSFET作为SiC功率器件的一种，具有高频率、高效率、高耐压和高可靠性等优点，在新能源汽车、光伏发电、轨道交通和智能电网等领域具有显著优势。然而，SiC MOSFET在工作过程中，由于高温和高功率密度的影响，结温的实时监控显得尤为重要。本文将详细介绍SiC MOSFET的实时结温监控电路测量方案，包括主控芯片型号、设计中的作用及具体型号。

SiC MOSFET的基本原理

SiC MOSFET是一种基于碳化硅半导体材料的场效应晶体管，其工作原理类似于传统的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。SiC MOSFET由栅极（Gate）、源极（Source）、漏极（Drain）和通道（Channel）组成。当栅极施加正电压时，栅极与通道之间形成电场，控制通道的导电性，从而调节源极和漏极之间的电流流动。

SiC MOSFET具有高工作频率、低内阻、高耐压和耐高温等特点。其工作频率可达1MHz甚至更高，远高于传统MOSFET的60kHz左右，这有助于减小电源系统中的电容、电感或变压器的体积，降低电源成本，实现电源的小型化和美观化。同时，SiC MOSFET的单管最小内阻可以达到几个毫欧，远低于传统MOSFET的16毫欧，能够轻松达到能效要求，减少散热片使用，降低电源体积和重量，提高电源的可靠性和稳定性。

实时结温监控的重要性

SiC MOSFET在工作过程中，由于高温和高功率密度的影响，结温的实时监控对于保障器件的可靠性和稳定性至关重要。高温会导致SiC MOSFET的阈值电压降低，从而影响其开关性能和导通损耗。此外，高温还会加速器件的老化过程，缩短使用寿命。因此，通过实时监控SiC MOSFET的结温，可以及时发现异常情况，采取相应的保护措施，防止器件损坏，提高系统的可靠性和稳定性。

实时结温监控电路测量方案

实时结温监控电路测量方案主要包括传感器选择、信号调理电路设计和主控芯片选择三部分。

1. 传感器选择

SiC MOSFET的结温监控通常通过测量其阈值电压（Vth）的变化来实现。阈值电压与结温之间存在良好的线性关系，因此可以通过测量阈值电压来间接获取结温信息。为了实现这一点，需要选择合适的传感器来提取阈值电压。

一种常用的方法是使用RC缓冲电路和信号调理电路来提取SiC MOSFET的阈值电压。RC缓冲电路用于连接待测功率器件的漏极和源极，捕获开通时漏-源电压的变化起始时刻，并输出一个电压信号。信号调理电路则对来自RC缓冲电路的电压信号进行运算处理，并与来自待测功率器件的PWM信号进行逻辑比较，从而转换出表征待测功率器件结温所需的温度敏感电参数。

2. 信号调理电路设计

信号调理电路的设计是实时结温监控电路测量方案中的关键部分。信号调理电路的主要功能是对来自传感器的电压信号进行运算处理，以提取出表征结温的温度敏感电参数。

信号调理电路通常包括峰值检测单元、逻辑变换单元和运算放大器等部分。峰值检测单元用于在开通过程中保持电压信号的负峰值，并将其保持在保持电容的两侧。逻辑变换单元则用于将来自峰值检测单元的电压信号与来自待测功率器件的PWM信号进行逻辑比较，从而转换出表征结温的温度敏感电参数。运算放大器则用于对电压信号进行放大或反向放大，以满足后续处理的要求。

3. 主控芯片选择

主控芯片是实时结温监控电路测量方案中的核心部分，负责接收和处理来自信号调理电路的温度敏感电参数，并根据需要进行相应的控制和保护。在选择主控芯片时，需要考虑其性能、功耗、接口和可编程性等因素。

一种常用的主控芯片是TMS320F28335，这是一款由德州仪器（TI）推出的高性能数字信号处理器（DSP）。TMS320F28335具有高速的运算能力和丰富的外设接口，能够实现对SiC MOSFET结温的实时监控和处理。它采用先进的C28x DSP内核，具有高达150MHz的时钟频率和强大的浮点运算能力，能够满足实时性要求较高的应用需求。此外，TMS320F28335还提供了多种通信接口，如SPI、SCI、I2C和CAN等，方便与其他外设进行通信和数据交换。

除了TMS320F28335之外，还有其他一些主控芯片也可以用于SiC MOSFET的实时结温监控。例如，STM32系列微控制器、PIC系列单片机和FPGA等。这些芯片都具有不同的性能和特点，可以根据具体的应用需求进行选择。

主控芯片型号及其在设计中的作用

1. TMS320F28335

TMS320F28335是德州仪器（TI）推出的一款高性能数字信号处理器（DSP），在SiC MOSFET实时结温监控电路测量方案中扮演着重要角色。

作用：

• 高速运算能力：TMS320F28335具有高达150MHz的时钟频率和强大的浮点运算能力，能够快速处理来自信号调理电路的温度敏感电参数，实现对SiC MOSFET结温的实时监控。

• 丰富的外设接口：TMS320F28335提供了多种通信接口，如SPI、SCI、I2C和CAN等，方便与其他外设进行通信和数据交换。这些接口可以用于连接传感器、执行器和显示器等设备，实现对SiC MOSFET的全方位监控和控制。

• 可编程性强：TMS320F28335采用先进的C28x DSP内核，具有丰富的指令集和可编程性。用户可以根据具体的应用需求，编写相应的程序，实现对SiC MOSFET结温的实时监控、报警和保护等功能。

具体型号：TMS320F28335PGFA

2. STM32系列微控制器

STM32系列微控制器是意法半导体（STMicroelectronics）推出的一款高性能微控制器，也可以用于SiC MOSFET实时结温监控电路测量方案。

作用：

• 高性能：STM32系列微控制器具有高性能的CPU和丰富的外设资源，能够满足实时性要求较高的应用需求。它们通常具有高达几百MHz的时钟频率和强大的运算能力，能够快速处理来自信号调理电路的温度敏感电参数。

• 低功耗：STM32系列微控制器采用先进的低功耗设计，能够在保证性能的同时降低功耗。这对于需要长时间运行的SiC MOSFET实时结温监控系统来说尤为重要。

• 易于开发：STM32系列微控制器具有丰富的开发资源和工具，如STM32CubeMX、STM32 HAL库和Keil MDK等。这些工具和库可以大大简化开发过程，提高开发效率。

具体型号：STM32F407VG

3. PIC系列单片机

PIC系列单片机是微芯科技（Microchip Technology）推出的一款高性能单片机，同样可以用于SiC MOSFET实时结温监控电路测量方案。

作用：

• 高性能：PIC系列单片机具有高性能的CPU和丰富的外设资源，能够满足实时性要求较高的应用需求。它们通常具有高达几十MHz的时钟频率和强大的运算能力，能够快速处理来自信号调理电路的温度敏感电参数。

• 低功耗：PIC系列单片机也采用低功耗设计，能够在保证性能的同时降低功耗。这对于需要长时间运行的SiC MOSFET实时结温监控系统来说同样重要。

• 丰富的外设：PIC系列单片机提供了多种外设接口，如UART、SPI、I2C和ADC等，方便与其他外设进行通信和数据交换。这些接口可以用于连接传感器、执行器和显示器等设备，实现对SiC MOSFET的全方位监控和控制。

具体型号：PIC24FJ256GB110

4. FPGA

FPGA（现场可编程门阵列）是一种可编程逻辑器件，也可以用于SiC MOSFET实时结温监控电路测量方案。

作用：

• 高度灵活：FPGA具有高度的灵活性，可以根据具体的应用需求进行编程和配置。用户可以根据SiC MOSFET实时结温监控系统的要求，设计相应的逻辑电路和算法，实现对SiC MOSFET结温的实时监控和处理。

• 并行处理能力：FPGA具有强大的并行处理能力，能够同时处理多个任务和数据流。这对于需要同时监控多个SiC MOSFET器件的实时结温监控系统来说尤为重要。

• 可扩展性强：FPGA具有丰富的I/O资源和可编程逻辑单元，可以根据需要进行扩展和升级。这为用户提供了更多的选择和灵活性，可以满足不同规模和复杂度的SiC MOSFET实时结温监控系统的需求。

具体型号：Xilinx XC7A100TCPG236-1

结论

SiC MOSFET的实时结温监控电路测量方案是实现其高效、可靠运行的重要手段。本文详细介绍了实时结温监控电路测量方案的设计思路和方法，包括传感器选择、信号调理电路设计和主控芯片选择等部分。同时，还介绍了主控芯片型号及其在设计中的作用，包括TMS320F28335、STM32系列微控制器、PIC系列单片机和FPGA等。这些方案和芯片可以根据具体的应用需求进行选择和优化，以实现SiC MOSFET的实时结温监控和保护。

通过实时监控SiC MOSFET的结温，可以及时发现异常情况，采取相应的保护措施，防止器件损坏，提高系统的可靠性和稳定性。这对于保障电力电子设备的正常运行和延长使用寿命具有重要意义。未来，