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AC/DC 拓扑:SpeedFit 示例

Jul 14, 2022
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AC/DC 拓扑:SpeedFit 示例

Wolfspeed SpeedFit 2.0 Design SimulatorTM 是一款快速且实用的仿真工具,可快速比较不同的系统规格、拓扑、器件甚至热参数,帮助用户针对应用进行优化设计。这款用户友好型工具可用来估计系统损耗、热性能和效率,还可以观测重要的电压和电流波形。关于 SpeedFit 功能的详细论述参见此处

SpeedFit 2.0 允许用户模拟 AC/DC 应用的六种不同的单相拓扑(图 1)。这些拓扑为有源单相升压模式电路,用于功率因数校正(PFC)应用(图 2)。PFC 的设计满足了对低成本和高效率的需求。针对电源的 80 PLUS® 效率要求标准,以及针对电源谐波含量的 IEEE 519 等标准越来越严格。为了符合当今的效率标准,电源需要具有高效的 PFC 级。SpeedFit 仿真软件能够评估在高频率操作下运用 SiC 器件的设计,以及在低频率工作下的可配置 Si 或 SiC 二极管,帮助用户设计 PFC。

1:SpeedFit -“Application”(应用)选项卡
图 2:SpeedFit -“Input”(输入)选项卡

本文以AC/DC应用为例,重点介绍怎样利用SpeedFit来对不同拓扑进行比较,从而设计出效率更高的变换器。为便于说明,我们假设了一组系统规格,比较三种不同的拓朴。这些规格的选取基于 Wolfspeed 3.6 kW 图腾柱转换器参考设计。下文针对所选规格,对这些拓扑的性能进行了介绍和比较。这些拓扑分别为:传统升压转换器、图腾柱转换器 - LF 二极管、图腾柱转换器 - LF MOSFET。

参数
输入电压
230 V (RMS)  – 额定
电压
420 V (DC)
输出功率
3.6 kW – 最大值
市电频率
50 - 60 Hz
开关频率
60 kHz
电感值
0.44 mH
死区时间
200 ns
表 1:3.6 kW 图腾柱 PFC 参考设计的规格

SpeedFit 参数

可以在 SpeedFit 的不同选项卡中输入表 1 中的规格。可在此处查看关于 SpeedFit 不同选项卡的更多信息。可以使用表 2 中列出的信息指定与 3.6 kW 图腾柱转换器参考设计一致的参数。

选项卡
参数
输入
输入电压
230 V
输入
输出电压
420 V
输入
额定输出功率, So
3600 VA
输入
交流频率, Fac
60 Hz
输入
开关频率
60 kHz
输入
死区时间
200 ns
器件
并联 MOSFET 的数量
1
器件
导通栅极电阻,Rg-on,ext
4.7 Ohm
器件
关断栅极电阻,Rg-off,ext
2.2 Ohm
热学
散热器温度,Rth,ch
0.985 K/W
热学
散热器温度,Th
Variable
热学
热阻,Rth,ha
1.7 K/W
热学
散热器时间常数,τha
60
热学
散热器上的附加热源,Padd
0
热学
环境温度,Tamb
50 oC
仿真
电感器,L
0.44 mH
仿真
 硅二极管正向电压,Vf
0.92 V
仿真
硅二极管导通电阻,Ron
0.033 Ohms
表 2:SpeedFit 参数及其值

热参数与3.6 kW图腾柱参考设计一致。界面热阻 Rth,ch = Rth + Rth,PCB + Rth,TIM = (0.015 + 0.45 + 0.52) K/W = 0.985 K/W。

参考设计中给出的散热器到环境热阻为 3.4 K/W。但是,这适用于半桥臂的散热器。由于有两个半桥臂,因此有效的散热器热阻可以近似为 1.7 K/W。因此,Rth,ha = (3.4 / 2) K/W = 1.7 K/W。

在“Simulation”(仿真)选项卡(图 3),提供了正向压降 (Vf) 和导通电阻 (Ron) 参数,以便把整流二极管的损耗包括在效率计算中。用户可以根据他们打算使用的整流二极管编辑这些值。这些二极管可以是 Si 二极管或 SiC 二极管。由于这些二极管将在低频率波形下工作,因此它们的损耗主要是导通损耗。这些器件中的损耗显示在“器件概览”表中。

图 3:SpeedFit -“Simulation”(仿真)选项卡

“Summary”(总结)选项卡显示损耗和波形的系统概览。具体而言,对于 AC/DC 拓扑,还包括整流二极管损耗和 LF MOSFET。

拓扑对比

为了便于说明,本文比较了三种不同的 PFC 拓扑。本节包含有关这些拓扑的重要说明和观察结果,重点介绍如何利用SpeedFit 比较这些不同的拓扑。

传统升压 PFC

图 4:传统升压 PFC 拓扑

传统升压拓扑由由全波整流器和升压变换器组成。整流二极管中只流过工频电流;因此,Si 整流二极管可以用于该整流级。因此,通过整流级的电流只会增加转换器中的传导损耗。因此,Vf 和 Ron 参数足以确定这些二极管中的损耗。从图 6 中可以看出,整流二极管是损耗最大的器件,影响该拓扑的整体效率。因此,在评估拓扑效率时,观察系统所有组件中的损耗至关重要。由于传统升压 PFC 效率较低,因此适用于低功耗应用。该拓扑适用于符合 80 Plus Silver 或 Gold 标准。

在 SpeedFit 中,用户可以对整流二极管的正向压降Vf 和 导通电阻Ron进行配置。图 6 显示的“器件概览”表显示了不同器件中损耗的分布,即 MOSFET、二极管(升压级)和整流二极管(整流级)。

图腾柱转换器 – LF 二极管

图 5:图腾柱转换器 – LF 二极管拓扑

具有低频率(LF)二极管的图腾柱转换器由两个以开关频率运行的 MOSFET 和两个工作在工频的二极管组成。用户可以从“Device”(器件)选项卡中选择 Wolfspeed MOSFET,还可以根据客户所用的Si或SIC二极管的规格书配置仿真用的二极管的正向电压 (Vf) 和 Ron (导通电阻)。这是一种开关器件用量最少的低成本拓扑。由于减少了工频整流桥,所以它相对于传统生涯PFC拓扑效率得到了提升,但由于工频整流器支路中的传导损耗较高,其效率略低于具有 LF MOSFET 的图腾柱转换器。

6:仿真概览 - 传统升压转换器
图 7:仿真概览 - 图腾柱转换器 - LF 二极管
图 8:仿真概览 - 图腾柱转换器 - LF MOSFET

图腾柱转换器 – LF MOSFET

图 9:图腾柱转换器 – LF MOSFET 拓扑

具有低频率(LF)MOSFET 的图腾柱转换器采用两个高频率 MOSFET 和两个低频率(LF)MOSFET。该拓扑未使用任何整流二极管。与整流二极管相比,LF MOSFET 中产生的导通损耗要低得多。因此,这是最高效的拓扑。但是,这里需要更多的栅极驱动器,会增加转换器的尺寸和成本。

总结

表 3 总结了考虑的三种拓扑的详细信息。表格中列出了所使用的器件,并对效率进行了对比。

拓扑
传统升压转换器
图腾柱转换器 – LF 二极管
图腾柱转换器 – LF MOSFET
电路图
MOSFET (HF)
MOSFET - LF
-
-
二极管 – HF
-
整流二极管规格
Vf = 0.92 V Ron = 0.033 Ω
Vf = 0.92 V Ron = 0.033 Ω
-
效率 (SpeedFit)
98.46 %
98.97 %
99.39 %
表 3:三种拓扑之间进行对比:传统升压转换器、图腾柱转换器 - LF 二极管、图腾柱转换器 - LF MOSFET

请注意:图腾柱转换器 – LF MOSFET 的参考设计中所注的峰值效率(>99%)包括辅助电源和转换器其他组件中的损耗,而上述效率仅包括功率半导体器件中的损耗。

SpeedFit  仿真软件 2.0 允许用户进行其应用的不同拓扑和设计的对比。用户可以灵活选择最优的 SiC MOSFET 和 SiC 肖特基二极管,还可以配置低频率硅二极管的规格,以帮助估计转换器效率的实际值。“Simulation”(仿真)选项卡上的“系统”和“器件概览”表(如图 6 - 8 所示)总结了 HF MOSFET、LF MOSFET 和 SiC/Si 整流二极管等不同组件中的损耗,便于分别分析每个器件中的损耗并优化设计。

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