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(jì)過程中的關(guān)鍵組件。與硅基技術(shù)相比，作為一項(xiàng)相對(duì)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(jì)人員更輕松地利用這項(xiàng)技術(shù)。

SpeedFit 2.0 設(shè)計(jì)仿真器基于常用的 PLECS 仿真平臺(tái)，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(cè)試和比較組件和拓?fù)渑渲谩㈤_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(jiǎn)單方法。

在PLECS平臺(tái)上使用碳化硅進(jìn)行設(shè)計(jì)

PLECS平臺(tái)由Plexim開發(fā)，是一種常用的基于Web的模擬器（WBS），既可以“獨(dú)立”，也可以集成到Simulink中。標(biāo)準(zhǔn) C 腳本接口允許對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)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(jī)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(gè)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(shí)現(xiàn)相對(duì)較新，因此在大多數(shù)常見仿真平臺(tái)（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(jì)步驟和考慮因素。

這給我們帶來了一個(gè)重要的觀點(diǎn)，因?yàn)槌渌蛩赝猓纳?yīng)導(dǎo)致碳化硅電子器件的普遍不確定性，這可能會(huì)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(dú)特物理特性允許在高開關(guān)速度和電壓水平下實(shí)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(yáng)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(dòng)汽車 （EV） 的高效電源模塊。

如果設(shè)計(jì)人員沒有使用過這種技術(shù)，那么驅(qū)動(dòng)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(gè)挑戰(zhàn)。使用基于 SiC 的功率轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)設(shè)計(jì)可以通過無縫 Web 界面中的 SpeedFit 2.0 完成，以快速計(jì)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(jí)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(jì)參數(shù)和波形的設(shè)計(jì)人員無需花費(fèi)數(shù)小時(shí)梳理數(shù)據(jù)表并進(jìn)行計(jì)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(dòng) SiC 設(shè)計(jì)的分步過程。

圖1：SpeedFit 2.0 通過引導(dǎo)過程初始化 SiC 設(shè)計(jì)，該過程涉及選擇基本轉(zhuǎn)換器/逆變器拓?fù)洹⑤斎胼斎雲(yún)?shù)、選擇 Wolfspeed 器件以及定義熱系統(tǒng)，然后產(chǎn)生基本計(jì)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(jì)過程，這些文件可在Wolfspeed網(wǎng)站上找到。通過這種方式，PLECS平臺(tái)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(shí)驗(yàn)室結(jié)果開始設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試過程。

PLECS獨(dú)立工具還包括一個(gè)免費(fèi)的演示模式，該模式提供一系列預(yù)構(gòu)建的SiC設(shè)計(jì)，可以通過Plexim的網(wǎng)站訪問。這使設(shè)計(jì)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＠纾?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(dòng)基于碳化硅的設(shè)計(jì)

輸入用戶參數(shù)

使用 SpeedFit 2.0 啟動(dòng) SiC 設(shè)計(jì)既簡(jiǎn)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(jì)人員在“輸入”選項(xiàng)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(jì)人員為所選電路鍵入輸入?yún)?shù)，其中每個(gè)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(dòng)輸入，也可以根據(jù)接口內(nèi)完成的建議計(jì)算自動(dòng)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(shí)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(xiàng)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(duì)于剛接觸碳化硅元件的設(shè)計(jì)人員很有幫助，因?yàn)樗@過了通過潛在元件庫(kù)的初始導(dǎo)航，從而降低了實(shí)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(shí)獲得組件的完整列表。元件的選擇會(huì)導(dǎo)致提示，詢問設(shè)計(jì)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(shí)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(xiàng)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(gè)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。“器件概覽”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(xiàng)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(gè)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(jì)迭代的無縫基本概覽。

通過PLECS平臺(tái)使用碳化硅進(jìn)行設(shè)計(jì)

SpeedFit 2.0 是一款功能強(qiáng)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(shí)際系統(tǒng)參數(shù)，并虛擬測(cè)試組件，以估計(jì)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(jì)工程師能夠在熟悉的平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)其SiC設(shè)計(jì)。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(jì)過程。

審核編輯：郭婷