選擇合適的Wolfspeed設計工具

電力電子系統(tǒng)設計是一個復雜的工程問題。傳統(tǒng)上，克服相關(guān)挑戰(zhàn)需要主題專家進行耗時的分析。幸運的是，工程師們可選擇各種現(xiàn)代工具，顯著加快設計過程并優(yōu)化結(jié)果。這些工具涵蓋軟件模擬工具（如 PLECS? 和 SPICE）和基于測量的方法（如動態(tài)性能表征）。每種分析方法都有其自身的優(yōu)勢和局限性，適合解決特定的設計問題。本文將對此進行描述。

PLECS? 是一款專為電力電子系統(tǒng)模擬開發(fā)的模擬工具，有助于工程師設計控制方案、拓撲結(jié)構(gòu)和熱系統(tǒng)。該工具涵蓋多個物理學領域，可簡化對系統(tǒng)機械、熱或磁性元件的分析。PLECS? 采用理想的晶體管開關(guān)模型，可動態(tài)選擇晶體管電阻瞬時變化前后的積分時間步長。對于開關(guān)電路應用，該分析方法使 PLECS? 相對于傳統(tǒng)電路級模擬具有巨大的速度優(yōu)勢。由于電氣元件被理想化，因此采用分析方式對功率損耗進行描述（通過查找表或函數(shù)），以匹配實驗結(jié)果。Wolfspeed 的 PLECS 模型根據(jù)數(shù)據(jù)表信息構(gòu)建，如圖 1 所示。一般而言，PLECS? 對于控制設計、器件選擇、預測系統(tǒng)損耗、預測器件結(jié)溫和熱系統(tǒng)設計非常有用。除了提供可供下載的完整 PLECS? 模型組合，Wolfspeed 還免費提供針對系統(tǒng)設計問題開發(fā)的在線評估工具 SpeedFit。

圖 1：PLECS 模型根據(jù)數(shù)據(jù)表數(shù)據(jù)構(gòu)建

雖然 PLECS? 是一款強大的模擬工具，但它也有局限性。例如，PLECS? 中的晶體管模型使用數(shù)據(jù)表開發(fā)，因此所考慮的開關(guān)能量對于低電感系統(tǒng)來說是典型值。同樣，導通損耗和熱模型使用典型的數(shù)據(jù)表值。因此，留出設計余量始終至關(guān)重要，因為邊界情形缺陷器件的結(jié)溫比 PLECS? 預測的標稱 TJ 更高（因損耗和熱阻抗更高所致）。一般來說，應使用壽命模型設計最高每循環(huán)溫度 δ，因為允許 TFLUID 和 TJ,MAX 之間的擺幅可能無法保證獲得預期的系統(tǒng)運行壽命。此外，還應謹慎考量系統(tǒng)模型中的電信號。雖然低頻特性（如紋波電壓、輸出電流和功率因數(shù)）可被精確模擬，但在 PLECS? 中無法預測由器件開關(guān)產(chǎn)生的動態(tài)特性。因此，器件邊緣速率和電壓過沖等參數(shù)未被模擬捕捉，而且對寄生元件建模也沒有意義，因為在經(jīng)簡化的電模擬中寄生元件所作的貢獻無關(guān)緊要。

為了演示理想化的開關(guān)和低頻電路動態(tài)特性，圖 2 示出了 PLECS 中的降壓型轉(zhuǎn)換器模擬。低側(cè)開關(guān)電壓示出硬開關(guān)行為被簡化為簡易方波；壓擺率、過沖、上升/下降時間和其他動態(tài)特性未被模擬。然而，從輸出電壓波形可以看出，電氣域波形仍然有用，因為許多參數(shù)（如輸出紋波）仍可被模擬，而無需精確的開關(guān)動態(tài)特性。一般而言，由電力電子器件和濾波器無源器件決定的低頻現(xiàn)象將在 PLECS 中被正確模擬。

圖 2：PLECS 模型可捕捉低頻動態(tài)特性，但無法捕捉開關(guān)動態(tài)特性

不同于 PLECS?，電路級模擬器（如 SPICE）試圖預測詳細的開關(guān)瞬態(tài)事件，使得它們能夠模擬許多在 PLECS? 中被忽略的電氣動態(tài)特性。對于需要器件瞬態(tài)變化的研究來說，電路級模擬應是首選工具。一些可能的示例包括動態(tài)均流、蒙特卡羅分析或電磁兼容性（EMC）分析。遺憾的是，如果模型復雜性增加，還會對模擬速度產(chǎn)生重大不利影響。對于轉(zhuǎn)換器模擬而言，必須按所模擬的秒來計算數(shù)千個此類動態(tài)事件，這使得此類模型的模擬速度很慢，對控制或熱設計并不實用。此外，當模擬瞬態(tài)事件時，不應假設開關(guān)事件被精確預測，因為要精確預測開關(guān)事件，需要晶體管、電路寄生元件和柵極驅(qū)動的精確模型。因此，不建議使用 Wolfspeed 提供的 SPICE 模型進行“動態(tài)評估”。

作為應用實例，圖 3 示出了箝位電感負載電路的 SPICE 模擬示例（類似于 Wolfspeed 的評估套件）。掃描總線電感會引起過沖電壓、振鈴頻率和阻尼比發(fā)生很大變化。具體而言，總線電感變化 9 nH 會導致 200 V 的過沖預測差值。改變柵極驅(qū)動模型也會產(chǎn)生類似影響，改變晶體管模型則會產(chǎn)生更大差異。因此，使用 SPICE 模型來預測詳細的器件動態(tài)特性可能極具挑戰(zhàn)性和誤導性。

圖 3：在 SPICE 中預測的晶體管動態(tài)特性依賴于系統(tǒng)寄生效應

如果需要數(shù)據(jù)表中提供的信息之外的動態(tài)特性，請考慮使用測量而非 SPICE。雖然獲得精確的器件測量值成本高昂且過程復雜，但 Wolfspeed 為其所有產(chǎn)品都提供了動態(tài)特性評估套件，其中一些可通過 Arrow TestdriveTM 程序借用。這些動態(tài)特性評估套件可簡化測量過程，這得益于它們具有低寄生電感和高質(zhì)量計量（對于原型設計階段測量開關(guān)信號而言，這通常是一個需要突破的主要事項）。這些評估套件非常適合測量時序（TDelay-On、TDelay-Off、TRise、TFall）、過沖（VDS-Max、ID-Max）、開關(guān)速度（di/dt、dv/dt）和開關(guān)能量（EON、EOFF、ERR），但執(zhí)行此類測量需要高帶寬示波器和探頭（至少 100 MHz/s）。高側(cè)柵極或漏極電壓的表征同樣需要具有高壓隔離的差分探頭。最后，評估套件包含可用于測量器件電流的電流查看電阻器 (CVR)。為了重點突出評估套件的功能，圖 4 示出了利用 Wolfspeed CIL 評估套件進行的柵極電阻掃描。

圖 4：可利用 CIL 評估套件分析整個 RG 值的 MOSFET 動態(tài)特性

這三種方法在電力電子設計過程中均有應用，每種方法都應在設計過程中加以適當利用。

圖 5：推薦的工作流程

審核編輯：郭婷