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怎樣利用SpeedFit來對不同拓撲進行比較

工程師鄧生 ? 來源:WOLFSPEED ? 作者:Wolfspeed ? 2022-09-15 09:55 ? 次閱讀
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AC/DC 拓撲:SpeedFit 示例

Wolfspeed SpeedFit 2.0 Design Simulator 是一款快速且實用的仿真工具,可快速比較不同的系統規格、拓撲、器件甚至熱參數,幫助用戶針對應用進行優化設計。

這款用戶友好型工具可用來估計系統損耗、熱性能和效率,還可以觀測重要的電壓和電流波形。關于 SpeedFit 功能的詳細論述參見此處。

SpeedFit 2.0 允許用戶模擬 AC/DC 應用的六種不同的單相拓撲(圖 1)。這些拓撲為有源單相升壓模式電路,用于功率因數校正(PFC)應用(圖 2)。PFC 的設計滿足了對低成本和高效率的需求。

針對電源的 80 PLUS 效率要求標準,以及針對電源諧波含量的 IEEE 519 等標準越來越嚴格。為了符合當今的效率標準,電源需要具有高效的 PFC 級。

SpeedFit 仿真軟件能夠評估在高頻率操作下運用 SiC 器件的設計,以及在低頻率工作下的可配置 Si 或 SiC 二極管,幫助用戶設計 PFC。

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▲ 圖 1:SpeedFit -“Application”(應用)選項卡

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▲ 圖 2:SpeedFit -“Input”(輸入)選項卡

本文以 AC/DC 應用為例,重點介紹怎樣利用 SpeedFit 來對不同拓撲進行比較,從而設計出效率更高的變換器。為便于說明,我們假設了一組系統規格,比較三種不同的拓樸。

這些規格的選取基于 Wolfspeed 3.6 kW 圖騰柱轉換器參考設計。

下文針對所選規格,對這些拓撲的性能進行了介紹和比較。這些拓撲分別為:傳統升壓轉換器、圖騰柱轉換器 - LF 二極管、圖騰柱轉換器 - LF MOSFET

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▲ 表 1:3.6 kW 圖騰柱 PFC 參考設計的規格

SpeedFit 參數

可以在 SpeedFit 的不同選項卡中輸入表 1 中的規格。可在此處查看關于 SpeedFit 不同選項卡的更多信息。

可以使用表 2 中列出的信息指定與 3.6 kW 圖騰柱轉換器參考設計一致的參數。

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▲ 表 2:SpeedFit 參數及其值

熱參數與 3.6 kW 圖騰柱參考設計一致。界面熱阻 Rth,ch = Rth + Rth,PCB + Rth,TIM = (0.015 + 0.45 + 0.52) K/W = 0.985 K/W。

參考設計中給出的散熱器到環境熱阻為 3.4 K/W。但是,這適用于半橋臂的散熱器。由于有兩個半橋臂,因此有效的散熱器熱阻可以近似為 1.7 K/W。因此,Rth,ha = (3.4 / 2) K/W = 1.7 K/W。

在“Simulation”(仿真)選項卡(圖 3),提供了正向壓降 (Vf) 和導通電阻 (Ron) 參數,以便把整流二極管的損耗包括在效率計算中。用戶可以根據他們打算使用的整流二極管編輯這些值。

這些二極管可以是 Si 二極管或 SiC 二極管。由于這些二極管將在低頻率波形下工作,因此它們的損耗主要是導通損耗。這些器件中的損耗顯示在“器件概覽”表中。

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▲ 圖 3:SpeedFit -“Simulation”(仿真)選項卡

“Summary”(總結)選項卡顯示損耗和波形的系統概覽。具體而言,對于 AC/DC 拓撲,還包括整流二極管損耗和 LF MOSFET。

拓撲對比

為了便于說明,本文比較了三種不同的 PFC 拓撲。本節包含有關這些拓撲的重要說明和觀察結果,重點介紹如何利用 SpeedFit 比較這些不同的拓撲。

傳統升壓 PFC

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▲ 圖 4:傳統升壓 PFC 拓撲

傳統升壓拓撲由由全波整流器和升壓變換器組成。整流二極管中只流過工頻電流;因此,Si 整流二極管可以用于該整流級。因此,通過整流級的電流只會增加轉換器中的傳導損耗。

因此,Vf 和 Ron 參數足以確定這些二極管中的損耗。從圖 6 中可以看出,整流二極管是損耗最大的器件,影響該拓撲的整體效率。

因此,在評估拓撲效率時,觀察系統所有組件中的損耗至關重要。由于傳統升壓 PFC 效率較低,因此適用于低功耗應用。該拓撲適用于符合 80 Plus Silver 或 Gold 標準。

在 SpeedFit 中,用戶可以對整流二極管的正向壓降 Vf 和 導通電阻 Ron 進行配置。圖 6 顯示的“器件概覽”表顯示了不同器件中損耗的分布,即 MOSFET、二極管(升壓級)和整流二極管(整流級)。

圖騰柱轉換器 – LF 二極管

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▲ 圖 5:圖騰柱轉換器 – LF 二極管拓撲

具有低頻率(LF)二極管的圖騰柱轉換器由兩個以開關頻率運行的 MOSFET 和兩個工作在工頻的二極管組成。用戶可以從“Device”(器件)選項卡中選擇 Wolfspeed MOSFET,還可以根據客戶所用的 Si 或 SiC 二極管的規格書配置仿真用的二極管的正向電壓 (Vf) 和 Ron(導通電阻)。

這是一種開關器件用量最少的低成本拓撲。由于減少了工頻整流橋,所以它相對于傳統升壓 PFC 拓撲效率得到了提升,但由于工頻整流器支路中的傳導損耗較高,其效率略低于具有 LF MOSFET 的圖騰柱轉換器。

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▲ 圖 6:仿真概覽 - 傳統升壓轉換器

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▲ 圖 7:仿真概覽 - 圖騰柱轉換器 - LF 二極管

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▲ 圖 8:仿真概覽 - 圖騰柱轉換器 - LF MOSFET

圖騰柱轉換器 – LF MOSFET

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▲ 圖 9:圖騰柱轉換器 – LF MOSFET 拓撲

具有低頻率(LF)MOSFET 的圖騰柱轉換器采用兩個高頻率 MOSFET 和兩個低頻率(LF)MOSFET。該拓撲未使用任何整流二極管。與整流二極管相比,LF MOSFET 中產生的導通損耗要低得多。

因此,這是最高效的拓撲。但是,這里需要更多的柵極驅動器,會增加轉換器的尺寸和成本。

總結

表 3 總結了考慮的三種拓撲的詳細信息。表格中列出了所使用的器件,并對效率進行了對比。

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▲ 表 3:三種拓撲之間進行對比:傳統升壓轉換器、

圖騰柱轉換器 - LF 二極管、圖騰柱轉換器 - LF MOSFET

請注意:圖騰柱轉換器 – LF MOSFET 的參考設計中所注的峰值效率(>99%)包括輔助電源和轉換器其他組件中的損耗,而上述效率僅包括功率半導體器件中的損耗。

SpeedFit 仿真軟件 2.0 允許用戶進行其應用的不同拓撲和設計的對比。用戶可以靈活選擇最優的 SiC MOSFET 和 SiC 肖特基二極管,還可以配置低頻率 Si 二極管的規格,以幫助估計轉換器效率的實際值。

“Simulation”(仿真)選項卡上的“系統”和“器件概覽”表(如圖 6 - 8 所示)總結了 HF MOSFET、LF MOSFET 和 SiC/Si 整流二極管等不同組件中的損耗,便于分別分析每個器件中的損耗并優化設計。




審核編輯:劉清

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原文標題:AC/DC 拓撲:SpeedFit 示例

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