使用SpeedFit 2.0設(shè)計模擬器快速啟動基于碳化硅的設(shè)計

了解電源中碳化硅 （SiC） MOSFET 和肖特基二極管的在線行為是設(shè)計過程中的關(guān)鍵組件。與硅基技術(shù)相比，作為一項相對較新的技術(shù)，可視化這些碳化硅組件的性能可以幫助設(shè)計人員更輕松地利用這項技術(shù)。

SpeedFit 2.0 設(shè)計仿真器基于常用的 PLECS 仿真平臺，根據(jù)用戶指定的自定義數(shù)據(jù)從所需的轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)開始，提供全面的性能概覽。輸入各種系統(tǒng)參數(shù)后，用戶可以在基于碳化硅的解決方案中虛擬測試和比較組件和拓?fù)渑渲?、開關(guān)和傳導(dǎo)損耗估算以及熱管理方案。

其結(jié)果是一種快速有效地利用基于SiC的功率晶體管的簡單方法。

在PLECS平臺上使用碳化硅進(jìn)行設(shè)計

PLECS平臺由Plexim開發(fā)，是一種常用的基于Web的模擬器（WBS），既可以“獨立”，也可以集成到Simulink中。標(biāo)準(zhǔn) C 腳本接口允許對動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行簡單的建模和仿真，無論是方程、框圖還是電域、磁域（電感器和變壓器）、機械域和熱域中的物理模型。

仿真通過常微分方程 （ODE） 求解器和每個域中的集總單元模型進(jìn)行。分析工具包括穩(wěn)態(tài)、交流、脈沖響應(yīng)和多音分析，為功率轉(zhuǎn)換器提供精確的模型。由于與硅功率技術(shù)相比，SiC的實現(xiàn)相對較新，因此在大多數(shù)常見仿真平臺（LTSpice、PLECS等）中，包含寄生效應(yīng)（例如雜散電感、封裝電感）的精確電氣和熱模型可能涉及一些額外的設(shè)計步驟和考慮因素。

這給我們帶來了一個重要的觀點，因為除其他因素外，寄生效應(yīng)導(dǎo)致碳化硅電子器件的普遍不確定性，這可能會延遲或以其他方式阻礙該技術(shù)在各種電源應(yīng)用中取得的進(jìn)展。然而，碳化硅作為基礎(chǔ)半導(dǎo)體材料的獨特物理特性允許在高開關(guān)速度和電壓水平下實現(xiàn)出色的高功率性能，從而產(chǎn)生更高效、高電壓、高功率密度的轉(zhuǎn)換器。這為減小尺寸、重量和功率要求的應(yīng)用打開了大門，例如太陽能微型逆變器、固態(tài)照明、清潔大型電源系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器，甚至是電動汽車 （EV） 的高效電源模塊。

如果設(shè)計人員沒有使用過這種技術(shù)，那么驅(qū)動這些晶體管以最小化傳導(dǎo)和開關(guān)損耗的過程可能是一個挑戰(zhàn)。使用基于 SiC 的功率轉(zhuǎn)換器啟動設(shè)計可以通過無縫 Web 界面中的 SpeedFit 2.0 完成，以快速計算功率器件的損耗和結(jié)溫。它還可以幫助確定應(yīng)用的最佳元件選擇，以及所述元件之間的比較性能，以及該性能如何隨不同的系統(tǒng)級參數(shù)而變化，例如碳化硅MOSFET的柵極電阻（Rg）選擇。

特別是在MOSFET的情況下，可以確定需要并聯(lián)以獲得最佳轉(zhuǎn)換器功能的器件數(shù)量。配備基本初始設(shè)計參數(shù)和波形的設(shè)計人員無需花費數(shù)小時梳理數(shù)據(jù)表并進(jìn)行計算，而是能夠?qū)嵤┨蓟杓夹g(shù)。（圖 1）列出了工程師使用 SpeedFit 2.0 啟動 SiC 設(shè)計的分步過程。

圖1：SpeedFit 2.0 通過引導(dǎo)過程初始化 SiC 設(shè)計，該過程涉及選擇基本轉(zhuǎn)換器/逆變器拓?fù)?、輸入輸入?yún)?shù)、選擇 Wolfspeed 器件以及定義熱系統(tǒng)，然后產(chǎn)生基本計算和穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果。

接下來，可以通過包含Wolfspeed碳化硅器件損耗和熱阻抗信息的文件繼續(xù)設(shè)計過程，這些文件可在Wolfspeed網(wǎng)站上找到。通過這種方式，PLECS平臺用戶可以下載和訪問這些模型，以便使用與仿真相匹配的實驗室結(jié)果開始設(shè)計、制造和測試過程。

PLECS獨立工具還包括一個免費的演示模式，該模式提供一系列預(yù)構(gòu)建的SiC設(shè)計，可以通過Plexim的網(wǎng)站訪問。這使設(shè)計工程師能夠鳥瞰各種碳化硅轉(zhuǎn)換器/逆變器、充電和電源拓?fù)浼捌涓髯缘男阅堋＠?，?strong>圖2）顯示了PLECS演示模型中使用Wolfspeed C3M0030090K和C3M0065090D SiC MOSFET的示例雙有源橋（DAB）轉(zhuǎn)換器。

圖2：雙有源橋 （DAB） SiC 轉(zhuǎn)換器示例（來源：Plexim）

使用 SpeedFit 2.0 啟動基于碳化硅的設(shè)計

輸入用戶參數(shù)

使用 SpeedFit 2.0 啟動 SiC 設(shè)計既簡單又直接，首選通用轉(zhuǎn)換器類型：DC/DC、AC/DC 或 DC/AC。然后指示設(shè)計人員在“輸入”選項卡中選擇轉(zhuǎn)換器匹配電路。

(表 1）列出了轉(zhuǎn)換器類型和后續(xù)匹配電路供您選擇。

如圖3所示，提示設(shè)計人員為所選電路鍵入輸入?yún)?shù)，其中每個參數(shù)都有預(yù)定義的下限和上限。2 無源元件值（如電容和電感）可以手動輸入，也可以根據(jù)接口內(nèi)完成的建議計算自動選擇。

所有轉(zhuǎn)換器類型的輸入?yún)?shù)列表如下：

輸入電壓 （伏直流電）

輸出電壓 （伏直流電）

額定輸出功率（W）

開關(guān)頻率（千赫）

開關(guān)頻率 （kHz） 和死區(qū)時間 （ns）

交流頻率（赫茲）

功率因數(shù)

圖3：具有升壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)涞?SpeedFit 2.0 輸入選項卡

選擇碳化硅組件

輸入用戶數(shù)據(jù)后，可以根據(jù)輸入數(shù)據(jù)（例如阻斷電壓、平均電流、RMS 電流）列出推薦的商用 Wolfspeed 碳化硅元件（例如 MOSFET、二極管、模塊）及其各自的數(shù)據(jù)表，從而選擇器件。這對于剛接觸碳化硅元件的設(shè)計人員很有幫助，因為它繞過了通過潛在元件庫的初始導(dǎo)航，從而降低了實現(xiàn)基于SiC的電路的障礙。但是，通過檢查“顯示所有可用”組件的提示，仍然可以隨時獲得組件的完整列表。元件的選擇會導(dǎo)致提示，詢問設(shè)計中并聯(lián)元件的數(shù)量，以及導(dǎo)通/關(guān)斷柵極電阻。

定義熱系統(tǒng)

在此步驟之后，引導(dǎo)用戶定義其所選系統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)和熱屬性。假設(shè)冷卻系統(tǒng)包括安裝到公共散熱器的所有設(shè)備，可以選擇將額外的熱源（例如，輔助轉(zhuǎn)換器）耦合到公共散熱器。用戶定義熱界面電阻等參數(shù)。熱仿真本身可以是可變散熱器溫度（用戶定義熱阻、散熱器時間常數(shù)、散熱器上的任何其他電源和環(huán)境溫度的參數(shù)），也可以是具有預(yù)定義值的固定溫度。

模擬

仿真選項卡顯示最終電路模型及其各自的散熱器配置和用戶已指定的關(guān)鍵參數(shù)。穩(wěn)態(tài)仿真是用幾個周期的輸入/輸出電壓和電流波形執(zhí)行的。如圖4所示，系統(tǒng)的輸入電壓、額定輸出功率、開關(guān)頻率和效率顯示在“系統(tǒng)概覽”表中?！捌骷庞[”表顯示所有MOSFET、二極管和模塊的總開關(guān)、導(dǎo)通、組合損耗、總轉(zhuǎn)換器損耗和結(jié)溫。

圖 4：包含模擬結(jié)果的 SpeedFit 2.0 模擬選項卡。這些參數(shù)可以通過改變輸入、器件和熱參數(shù)輕松調(diào)整。

比較/更改仿真結(jié)果

模擬波形可以通過跟蹤每個仿真軌跡的結(jié)果歷史記錄列表進(jìn)行比較、更改和調(diào)整。通過這種方式，可以修改和輕松分析初始輸入?yún)?shù)、組件和熱參數(shù)等系統(tǒng)參數(shù)，從而提供初始設(shè)計迭代的無縫基本概覽。

通過PLECS平臺使用碳化硅進(jìn)行設(shè)計

SpeedFit 2.0 是一款功能強大的基于 Web 的工具，用于在常見電路拓?fù)渲羞x擇和比較 Wolfspeed 的碳化硅半導(dǎo)體器件。用戶能夠輸入與其感興趣的應(yīng)用相關(guān)的實際系統(tǒng)參數(shù)，并虛擬測試組件，以估計給定應(yīng)用中器件的損耗和預(yù)期溫度。所有這些都是通過廣泛使用的PLECS仿真工具完成的，使設(shè)計工程師能夠在熟悉的平臺上實現(xiàn)其SiC設(shè)計。選擇最佳的 Wolfspeed 組件后，工程師能夠訪問其器件的損耗模型和熱阻抗信息，以便在 PLECS 中離線使用，從而進(jìn)一步加快設(shè)計過程。

審核編輯：郭婷