原標(biāo)題：SiC MOSFET的實(shí)時(shí)結(jié)溫監(jiān)控電路測(cè)量方案

SiC MOSFET的實(shí)時(shí)結(jié)溫監(jiān)控電路測(cè)量方案

引言

碳化硅（SiC）作為第三代半導(dǎo)體材料，以其優(yōu)異的耐高壓、耐高溫和低損耗等特性，正在逐步替代傳統(tǒng)的硅基材料，特別是在電力電子設(shè)備中的應(yīng)用。SiC MOSFET作為SiC功率器件的一種，具有高頻率、高效率、高耐壓和高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，在新能源汽車、光伏發(fā)電、軌道交通和智能電網(wǎng)等領(lǐng)域具有顯著優(yōu)勢(shì)。然而，SiC MOSFET在工作過(guò)程中，由于高溫和高功率密度的影響，結(jié)溫的實(shí)時(shí)監(jiān)控顯得尤為重要。本文將詳細(xì)介紹SiC MOSFET的實(shí)時(shí)結(jié)溫監(jiān)控電路測(cè)量方案，包括主控芯片型號(hào)、設(shè)計(jì)中的作用及具體型號(hào)。

SiC MOSFET的基本原理

SiC MOSFET是一種基于碳化硅半導(dǎo)體材料的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其工作原理類似于傳統(tǒng)的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）。SiC MOSFET由柵極（Gate）、源極（Source）、漏極（Drain）和通道（Channel）組成。當(dāng)柵極施加正電壓時(shí)，柵極與通道之間形成電場(chǎng)，控制通道的導(dǎo)電性，從而調(diào)節(jié)源極和漏極之間的電流流動(dòng)。

SiC MOSFET具有高工作頻率、低內(nèi)阻、高耐壓和耐高溫等特點(diǎn)。其工作頻率可達(dá)1MHz甚至更高，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)MOSFET的60kHz左右，這有助于減小電源系統(tǒng)中的電容、電感或變壓器的體積，降低電源成本，實(shí)現(xiàn)電源的小型化和美觀化。同時(shí)，SiC MOSFET的單管最小內(nèi)阻可以達(dá)到幾個(gè)毫歐，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)MOSFET的16毫歐，能夠輕松達(dá)到能效要求，減少散熱片使用，降低電源體積和重量，提高電源的可靠性和穩(wěn)定性。

實(shí)時(shí)結(jié)溫監(jiān)控的重要性

SiC MOSFET在工作過(guò)程中，由于高溫和高功率密度的影響，結(jié)溫的實(shí)時(shí)監(jiān)控對(duì)于保障器件的可靠性和穩(wěn)定性至關(guān)重要。高溫會(huì)導(dǎo)致SiC MOSFET的閾值電壓降低，從而影響其開關(guān)性能和導(dǎo)通損耗。此外，高溫還會(huì)加速器件的老化過(guò)程，縮短使用壽命。因此，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控SiC MOSFET的結(jié)溫，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，采取相應(yīng)的保護(hù)措施，防止器件損壞，提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

實(shí)時(shí)結(jié)溫監(jiān)控電路測(cè)量方案

實(shí)時(shí)結(jié)溫監(jiān)控電路測(cè)量方案主要包括傳感器選擇、信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)和主控芯片選擇三部分。

1. 傳感器選擇

SiC MOSFET的結(jié)溫監(jiān)控通常通過(guò)測(cè)量其閾值電壓（Vth）的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)。閾值電壓與結(jié)溫之間存在良好的線性關(guān)系，因此可以通過(guò)測(cè)量閾值電壓來(lái)間接獲取結(jié)溫信息。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，需要選擇合適的傳感器來(lái)提取閾值電壓。

一種常用的方法是使用RC緩沖電路和信號(hào)調(diào)理電路來(lái)提取SiC MOSFET的閾值電壓。RC緩沖電路用于連接待測(cè)功率器件的漏極和源極，捕獲開通時(shí)漏-源電壓的變化起始時(shí)刻，并輸出一個(gè)電壓信號(hào)。信號(hào)調(diào)理電路則對(duì)來(lái)自RC緩沖電路的電壓信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，并與來(lái)自待測(cè)功率器件的PWM信號(hào)進(jìn)行邏輯比較，從而轉(zhuǎn)換出表征待測(cè)功率器件結(jié)溫所需的溫度敏感電參數(shù)。

2. 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)是實(shí)時(shí)結(jié)溫監(jiān)控電路測(cè)量方案中的關(guān)鍵部分。信號(hào)調(diào)理電路的主要功能是對(duì)來(lái)自傳感器的電壓信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，以提取出表征結(jié)溫的溫度敏感電參數(shù)。

信號(hào)調(diào)理電路通常包括峰值檢測(cè)單元、邏輯變換單元和運(yùn)算放大器等部分。峰值檢測(cè)單元用于在開通過(guò)程中保持電壓信號(hào)的負(fù)峰值，并將其保持在保持電容的兩側(cè)。邏輯變換單元?jiǎng)t用于將來(lái)自峰值檢測(cè)單元的電壓信號(hào)與來(lái)自待測(cè)功率器件的PWM信號(hào)進(jìn)行邏輯比較，從而轉(zhuǎn)換出表征結(jié)溫的溫度敏感電參數(shù)。運(yùn)算放大器則用于對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行放大或反向放大，以滿足后續(xù)處理的要求。

3. 主控芯片選擇

主控芯片是實(shí)時(shí)結(jié)溫監(jiān)控電路測(cè)量方案中的核心部分，負(fù)責(zé)接收和處理來(lái)自信號(hào)調(diào)理電路的溫度敏感電參數(shù)，并根據(jù)需要進(jìn)行相應(yīng)的控制和保護(hù)。在選擇主控芯片時(shí)，需要考慮其性能、功耗、接口和可編程性等因素。

一種常用的主控芯片是TMS320F28335，這是一款由德州儀器（TI）推出的高性能數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）。TMS320F28335具有高速的運(yùn)算能力和豐富的外設(shè)接口，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)SiC MOSFET結(jié)溫的實(shí)時(shí)監(jiān)控和處理。它采用先進(jìn)的C28x DSP內(nèi)核，具有高達(dá)150MHz的時(shí)鐘頻率和強(qiáng)大的浮點(diǎn)運(yùn)算能力，能夠滿足實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用需求。此外，TMS320F28335還提供了多種通信接口，如SPI、SCI、I2C和CAN等，方便與其他外設(shè)進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交換。

除了TMS320F28335之外，還有其他一些主控芯片也可以用于SiC MOSFET的實(shí)時(shí)結(jié)溫監(jiān)控。例如，STM32系列微控制器、PIC系列單片機(jī)和FPGA等。這些芯片都具有不同的性能和特點(diǎn)，可以根據(jù)具體的應(yīng)用需求進(jìn)行選擇。

主控芯片型號(hào)及其在設(shè)計(jì)中的作用

1. TMS320F28335

TMS320F28335是德州儀器（TI）推出的一款高性能數(shù)字信號(hào)處理器（DSP），在SiC MOSFET實(shí)時(shí)結(jié)溫監(jiān)控電路測(cè)量方案中扮演著重要角色。

作用：

• 高速運(yùn)算能力：TMS320F28335具有高達(dá)150MHz的時(shí)鐘頻率和強(qiáng)大的浮點(diǎn)運(yùn)算能力，能夠快速處理來(lái)自信號(hào)調(diào)理電路的溫度敏感電參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)SiC MOSFET結(jié)溫的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

• 豐富的外設(shè)接口：TMS320F28335提供了多種通信接口，如SPI、SCI、I2C和CAN等，方便與其他外設(shè)進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交換。這些接口可以用于連接傳感器、執(zhí)行器和顯示器等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)SiC MOSFET的全方位監(jiān)控和控制。

• 可編程性強(qiáng)：TMS320F28335采用先進(jìn)的C28x DSP內(nèi)核，具有豐富的指令集和可編程性。用戶可以根據(jù)具體的應(yīng)用需求，編寫相應(yīng)的程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)SiC MOSFET結(jié)溫的實(shí)時(shí)監(jiān)控、報(bào)警和保護(hù)等功能。

具體型號(hào)：TMS320F28335PGFA

2. STM32系列微控制器

STM32系列微控制器是意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）推出的一款高性能微控制器，也可以用于SiC MOSFET實(shí)時(shí)結(jié)溫監(jiān)控電路測(cè)量方案。

作用：

• 高性能：STM32系列微控制器具有高性能的CPU和豐富的外設(shè)資源，能夠滿足實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用需求。它們通常具有高達(dá)幾百M(fèi)Hz的時(shí)鐘頻率和強(qiáng)大的運(yùn)算能力，能夠快速處理來(lái)自信號(hào)調(diào)理電路的溫度敏感電參數(shù)。

• 低功耗：STM32系列微控制器采用先進(jìn)的低功耗設(shè)計(jì)，能夠在保證性能的同時(shí)降低功耗。這對(duì)于需要長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的SiC MOSFET實(shí)時(shí)結(jié)溫監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)尤為重要。

• 易于開發(fā)：STM32系列微控制器具有豐富的開發(fā)資源和工具，如STM32CubeMX、STM32 HAL庫(kù)和Keil MDK等。這些工具和庫(kù)可以大大簡(jiǎn)化開發(fā)過(guò)程，提高開發(fā)效率。

具體型號(hào)：STM32F407VG

3. PIC系列單片機(jī)

PIC系列單片機(jī)是微芯科技（Microchip Technology）推出的一款高性能單片機(jī)，同樣可以用于SiC MOSFET實(shí)時(shí)結(jié)溫監(jiān)控電路測(cè)量方案。

作用：

• 高性能：PIC系列單片機(jī)具有高性能的CPU和豐富的外設(shè)資源，能夠滿足實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用需求。它們通常具有高達(dá)幾十MHz的時(shí)鐘頻率和強(qiáng)大的運(yùn)算能力，能夠快速處理來(lái)自信號(hào)調(diào)理電路的溫度敏感電參數(shù)。

• 低功耗：PIC系列單片機(jī)也采用低功耗設(shè)計(jì)，能夠在保證性能的同時(shí)降低功耗。這對(duì)于需要長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的SiC MOSFET實(shí)時(shí)結(jié)溫監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)同樣重要。

• 豐富的外設(shè)：PIC系列單片機(jī)提供了多種外設(shè)接口，如UART、SPI、I2C和ADC等，方便與其他外設(shè)進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交換。這些接口可以用于連接傳感器、執(zhí)行器和顯示器等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)SiC MOSFET的全方位監(jiān)控和控制。

具體型號(hào)：PIC24FJ256GB110

4. FPGA

FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）是一種可編程邏輯器件，也可以用于SiC MOSFET實(shí)時(shí)結(jié)溫監(jiān)控電路測(cè)量方案。

作用：

• 高度靈活：FPGA具有高度的靈活性，可以根據(jù)具體的應(yīng)用需求進(jìn)行編程和配置。用戶可以根據(jù)SiC MOSFET實(shí)時(shí)結(jié)溫監(jiān)控系統(tǒng)的要求，設(shè)計(jì)相應(yīng)的邏輯電路和算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)SiC MOSFET結(jié)溫的實(shí)時(shí)監(jiān)控和處理。

• 并行處理能力：FPGA具有強(qiáng)大的并行處理能力，能夠同時(shí)處理多個(gè)任務(wù)和數(shù)據(jù)流。這對(duì)于需要同時(shí)監(jiān)控多個(gè)SiC MOSFET器件的實(shí)時(shí)結(jié)溫監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)尤為重要。

• 可擴(kuò)展性強(qiáng)：FPGA具有豐富的I/O資源和可編程邏輯單元，可以根據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)展和升級(jí)。這為用戶提供了更多的選擇和靈活性，可以滿足不同規(guī)模和復(fù)雜度的SiC MOSFET實(shí)時(shí)結(jié)溫監(jiān)控系統(tǒng)的需求。

具體型號(hào)：Xilinx XC7A100TCPG236-1

結(jié)論

SiC MOSFET的實(shí)時(shí)結(jié)溫監(jiān)控電路測(cè)量方案是實(shí)現(xiàn)其高效、可靠運(yùn)行的重要手段。本文詳細(xì)介紹了實(shí)時(shí)結(jié)溫監(jiān)控電路測(cè)量方案的設(shè)計(jì)思路和方法，包括傳感器選擇、信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)和主控芯片選擇等部分。同時(shí)，還介紹了主控芯片型號(hào)及其在設(shè)計(jì)中的作用，包括TMS320F28335、STM32系列微控制器、PIC系列單片機(jī)和FPGA等。這些方案和芯片可以根據(jù)具體的應(yīng)用需求進(jìn)行選擇和優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)SiC MOSFET的實(shí)時(shí)結(jié)溫監(jiān)控和保護(hù)。

通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控SiC MOSFET的結(jié)溫，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，采取相應(yīng)的保護(hù)措施，防止器件損壞，提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。這對(duì)于保障電力電子設(shè)備的正常運(yùn)行和延長(zhǎng)使用壽命具有重要意義。未來(lái)，