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借助 SpeedFit 设计仿真软件缩短比较分析的时间

2022/7/23 16:44:31      材料来源:化合物半导体

作者: Wolfspeed 
 
相较于基于硅(Si)或绝缘栅双极型晶体管(IGBT)之类的传统技术,碳化硅(SiC)元件拥有明显的优点,因此很多应用都能从运用 SiC 器件中获益。但是使用 SiC 器件进行参数设计并不是一个很简单的过程。无论是开发新产品还是升级此前的设计,最好在确定拓扑和器件选择之前的早期设计阶段对器件进行仿真和优化。
 
SpeedFit 设计仿真软件是一款基于 PLECS 的在线系统级电路仿真软件,旨在多个关键领域提供帮助,例如器件间比较和拓扑比较、并联设计配置、热管理,以及评估硬件性能(如半导体损耗和电感器/变压器波形),以帮助适应特定的电路拓扑或芯片组。
 
SpeedFit 开关和导通损耗建模
 
对于 SiC MOSFET 来说,可以分析三种典型的损耗源。首先是开启时的损耗 (Eon),其次是关断时的损耗 (Eoff),最后是“导通”时的导通损耗(表示为 Pconduction)。因此,总功率损耗可以表示为:
 
Ptotal = ((Eon + Eoff) × Fsw) + Pconduction
 
图 1 显示了栅极信号脉冲以及 Vds、Ids 和 Ploss 与信号在开关状态下的关系。
 
▲ 图 1:SiC MOSFET 开关和功率损耗波形
 
在导通状态下,导通功率损耗取决于结温(TJ)和漏极电流(ID)。查找表中保存了不同 VDS 与 ID 在不同温度下的曲线,可通过插值法得到“导通”电压。由于漏电流非常低,因此在关断状态下的功率损耗可以忽略。
 
开关损耗取决于 VDS、IDS、TJ 和外部栅极电阻(RG)。开关损耗三维查找表(作为 ID、关断状态下电压以及温度之间的函数),用来确定在每个开关事件下的 Eon 和 Eoff 值。之后根据所选定的外部栅极电阻(RG)对这些值进行调整。在测量器件整体平均总损耗时,一般的目标是计算在一个开关周期内的整体导通和开关能量损耗,然后在下一周期内输出为平均功率脉冲。这可以使用探头测量并观察周期平均值(导通损耗)和周期性脉冲平均值(开关损耗)的模块来实现,之后算出结果的平均值(见图 2)。
 
▲ 图 2:测定整体器件平均损耗的概念图和实施方式
 
SpeedFit 能够模拟电气和热特性,之后使用查找表来确定当前开关周期的损耗,并将其添加到热电路(包括散热器)中。对于电路来说,仿真将计算在开关上施加的电流和电压,然后在每次开关事件之后将数据提供给损耗查找表。在热域中,根据此前的周期和当前的周期损耗估算并更新 TJ。得出的结果 TJ 被反馈回查找表,进行下一周期。图 3 显示了这种模拟。
 
▲ 图 3:SpeedFit 模拟电气和热模型
 
如何运行设置和仿真
 
当使用 SpeedFit 开始应用仿真时,用户需要选择 Application(应用)、Input(输入)运行参数和拓扑、选择 Device(器件)、设定 Thermal(热)参数,运行 Simulation(仿真),然后打印 Summary(摘要)报告。我们提供了用户指南,其中包含每个拓扑的实用技巧和范围限制。
 
在选择 Application(应用)时,可以选择几种转换器类型(DC/DC、AC/DC 以及 DC/AC)。对于有源前端之后是 CLLC DC/DC 级这样的多级转换器,应该分别对每一级进行单独仿真。
 
在 Input(输入)运行参数时(见图 4),首先选择需要的拓扑(若已知),或直接输入输入/输出参数,查看匹配的电路。用户看到的参数可能会根据所选的拓扑而改变,并且“基于谐振”的拓扑拥有能够自动导入建议谐振器件值的按钮,实现简单的配置方式。
 
▲ 图 4:SpeedFit 输入运行参数和选择拓扑窗口
 
在确定电压和电流额定值后,Device(器件)选项卡将显示建议器件的简短列表,同时提供所有可选器件的较长/完整列表(MOSFET、二极管、模块)。在此过程中,用户可以调整并联器件的数量以及栅极电阻。此外,在 AC/DC 或 DC/AC 应用中使用分立式 MOSFET 时,可以为 MOSFET 并联添加肖特基二极管,以减少开关过程中的损耗。
 
在设置 Thermal(热)参数时,将自动包含内部热结电阻(Rth,JC);然而,用户需要输入热界面电阻 (Rth,ch)。界面电阻在每次开关时都会计算。含多个开关位置的功率模块将根据模块中开关的数量包含两个、四个或六个以及更多的并联 Rth,ch。热阻值可以是变量或固定值,这取决于具体应用。可变散热器可建模为对周围环境的热阻抗(Tamb),并包含时间常数。若选择固定散热器选项,必须指定散热器温度。对于包含一次测和二次侧 SiC 器件拓扑,需要为每侧使用单独(但相同)的散热器。
 
Simulate(仿真)选项卡会显示用户指定的拓扑、散热器配置以及关键参数(见图 5)。在仿真之前,电路中的无源元件参数可以根据设计来调整,以调整设计来匹配应用,并进一步优化结果。在仿真之后,将显示波形和源极电压、负载电压、输入电流、负载电流以及二极管 / MOSFET 电压和电流。系统概述表会显示功率、开关频率、效率,而器件概述表会显示示出损耗和估计的结温。器件概述表中显示的损耗是所有此类器件的损耗之和。例如,在图 5 中,所有 4 个一次侧 SiC MOSFET 的损耗之和为 54.54 W。
 
▲ 图 5:SpeedFit 模拟页面显示拓扑、波形以及多个数字读数
 
用户可以运行相同拓扑的其它迭代,从而比较结果,优化设计。首先,用户点击仿真选项卡中的“hold result(保留结果)”按钮,以保存此前的结果以供参考,之后输入另一个的工作点,或评估替代的器件,然后重新仿真新条件。
 
最后,Summary(摘要)选项卡提供多次仿真运行(叫作“变量”)的详细结果,并显示并排比较结果。同时 User Guide(用户指南)选项卡会提供每种拓扑的运行限制表,同时解释每个选项卡中的参数。还会提供示例数据,可在不同的热条件下使用,在热阻抗还未确定的情况下,能够为设计新系统提供良好的初次近似值。
    
SpeedFit 应用示例
 
让我们运行一个示例应用:45 kW 三相逆变器,采用风冷方式,供电为 800 V 母线供电,输出 480 V,开关频率为 10 kHz。目标是评估 Wolfspeed 的 WolfPACK SiC MOSFET 半桥模块以及分立式 SiC MOSFET。
 
在本例中,在几分钟之内便轻松评估采用多种可能方案的四种选项(两项分立式和两项模块式),所有的效率都 >99%。方案包含:
 
2 × C3M0016120K (16 mΩ TO-247-4)
 
2 × C3M0021120K (21 mΩ TO-247-4)
 
CAB011M12FM3 (11 mΩ FM3 WolfPACK)
 
CAB016M12FM3 (16 mΩ FM3 WolfPACK)
 
在衡量安装尺寸、温度裕量、功率密度/布局和成本等多种因素时,这些结果可为进行完整的系统架构评估提供参考意见。图 6 显示了仿真结果,并演示了比较包含分立式和模块化 MOSFET 的不同方案是多么地快速和容易。
 
▲ 图 6:45 kW 三相逆变器仿真结果示例
 
另一个示例是双向 CLLC DC/DC 车载充电系统,运行功率为 22 kW(可用于电动汽车充电应用)。由于其将用于电动汽车,输入电压在 380 - 900 VDC 之间,而输出应该在 480 - 800 VDC 之间。本示例测试了三种功率水平,以评估效率和结温。三种输出分别为 400 V、480 V 和 610 V,全都以 36 A 的输出电流运行。所选的拓扑是全桥 CLLC 谐振转换器,工作频率在 135 - 250 kHz 之间。这里的计划是运行仿真、查看结果,然后根据需要进行微调,从而优化设计。可以在参考设计 CRD-22DD12N 中看到具体的示例。
 
首次在“Input(输入)”选项卡(见图 7)进行首次运行,用户输入输入电压、输出电压、输出功率 Lm/Lr、Fsw 和 Fres。开始时建议 Fsw = Fres (190 kHz)。剩下的数值会自动填充。
 
▲ 图 7:22 kW CLLC DC/DC 转换器在“Input(输入)”
 
选项卡中的示例
 
在“Device(器件)”选项卡中,一次侧和二次侧均选择 32 mΩ 1,200 V MOSFET,以达到最高效率。栅极电阻如果高于默认设定值,会导致开关损耗增加,但能够在测试阶段带来设计灵活性。Rg 应根据电路实验来确定,以达到期望的电压过冲裕量以及电磁干扰性能。
 
对于热性能,选择隔离的液冷散热器,能够将散热器温度保持在 65 ˚C。两侧均带涂有导热硅脂的高性能氮化铝隔离器,能够为 TO-247 解决方案提供良好的隔热和低热阻(用户指南显示为 0.6 K/W)。
 
在仿真过程中,首次运行的结果显示输出功率过低。根据 CLLC 转换器的基本原则,较低的工作频率会提升输出电压(和输出功率),因此采用较低的开关频率(降至 170 kHz)重新进行模拟。这能够将输出功率提升至可接受的值,并提供可用的方案(如图 8 所示)。
 
▲ 图 8:CLLC DC/DC 转换器的第二次运行仿真结果示例
 
在本例中,用户可以比较几个额外工况点的运行结果:点击“hold result(保留结果)”选项,之后返回“Input(输入)”选项卡,然后输入新数据。在重新仿真之后,必要时调整 Fsw,以微调所需的输出,然后为剩余的工况点重复该流程。系统将生成摘要,其中包含每仿真结果,以便进行相邻工况比较。该方法也可用于验证在所有工作条件下的安全工作温度。
 
▲ 图 9
 
结论
 
多种配置的仿真,并取得优化结果之后,设计人员可以显著获益。SpeedFit 是一款基于 PLECS 平台的易用软件,能够取代颇费时间的人工数据表比较和计算。设计人员可以找到合适的 SiC MOSFET 和 SiC 二极管、在不同的工况点下评估性能(和损耗)、确定系统的热要求、评估多种不同类型的拓扑并获取波形以优化电容器和与电磁相关的设计,从而显著获益。
 
英文原稿,敬请访问:
 
https://www.wolfspeed.com/knowledge-center/article/modeling-with-speedfit/
 


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