Skip to Main Content
Contact
  • English
  • 简体中文
  • 繁體中文
View Cart
Design Resources

AC/DC 拓撲:SpeedFit 示例 

Jul 14, 2022
  • 繁體中文
  • 简体中文
  • English
  • Share on Facebook
  • Share on Twitter
  • Share on LinkedIn
  • Share in an email

Article

Wolfspeed SpeedFit 2.0 Design SimulatorTM 是一款快速且實用的模擬工具,可快速比較不同的系統規格、拓撲、元件甚至熱參數,幫助用戶針對應用進行優化設計。這款使用者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。關於 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,用於功率因數校正(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 模擬軟體能夠評估在高頻率操作下運用 SiC 元件的設計,以及在低頻率工作下的可配置 Si 或 SiC 二極體,幫助用戶設計 PFC。 

Screenshot of the SpeedFit application tab
圖 1:SpeedFit -“Application”(應用)選項卡
Screenshot of the SpeedFit input tab
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。為便於說明,我們假設了一組系統規格,比較三種不同的拓樸。這些規格的選取基於 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 二極體、圖騰柱轉換器 - LF MOSFET。

Parameter
Value
Input Voltage
230 V (RMS) – Nominal
Voltage
420 V (DC)
Output Power
3.6 kW – Max
Line Frequency
50 - 60 Hz
Switching Frequency
60 kHz
Inductor Value
0.44 mH
Deadtime
200 ns
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。可在此處查看關於 SpeedFit 不同選項卡的更多資訊。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。

Tab
Parameter
Value
Input
Input Voltage
230 V
Input
Output Voltage
420 V
Input
Related output power, So
3600 VA
Input
AC Frequency, Fac
60 Hz
Input
Switching Frequency
60 kHz
Input
Deadtime
200 ns
Device
Number of parallel MOSFETs
1
Device
Turn-on gate resistor, Rg-on,ext
4.7 Ohm
Device
Turn-off gate resistor, Rg-off,ext
2.2 Ohm
Thermal
Thermal interface resistance, Rth,ch
0.985 K/W
Thermal
Heatsink temperature, Th
Variable
Thermal
Thermal resistance, Rth,ha
1.7 K/W
Thermal
Heatsink time constant, τha
60
Thermal
Additional heat source on heatsink, Padd
0
Thermal
Ambient temperature, Tamb
50 oC
Simulation
Inductor, L
0.44 mH
Simulation
Silicon Diode Forward Voltage, Vf
0.92 V
Simulation
Silicon Diode On-Resistance, Ron
0.033 Ohms
表 2:SpeedFit 參數及其值

熱參數與3.6 kW圖騰柱參考設計一致。介面熱阻 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,這適用於半橋臂的散熱器。由於有兩個半橋臂,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”(模擬)選項卡(圖 3),提供了正向壓降 (Vf) 和導通電阻 (Ron) 參數,以便把整流二極體的損耗包括在效率計算中。使用者可以根據他們打算使用的整流二極體編輯這些值。這些二極體可以是 Si 二極體或 SiC 二極體。由於這些二極體將在低頻率波形下工作,因此它們的損耗主要是導通損耗。這些元件中的損耗顯示在“元件概覽”表中。 

Screenshot of the Speedfit simulation tab
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,對於 AC/DC 拓撲,還包括整流二極體損耗和 LF MOSFET。 

拓撲對比 

為了便於說明,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 

Circuit diagram of a classical boost PFC
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。整流二極體中只流過工頻電流;因此,Si 整流二極體可以用於該整流級。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體中的損耗。從圖 6 中可以看出,整流二極體是損耗最大的元件,影響該拓撲的整體效率。因此,在評估拓撲效率時,觀察系統所有元件中的損耗至關重要。由於傳統升壓 PFC 效率較低,因此適用於低功耗應用。該拓撲適用於符合 80 Plus Silver 或 Gold 標準。 

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

圖騰柱轉換器 – LF 二極體 

圖 5:圖騰柱轉換器 – LF 二極管拓撲

具有低頻率(LF)二極體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體組成。使用者可以從“Device”(元件)選項卡中選擇 Wolfspeed MOSFET,還可以根據客戶所用的Si或SIC二極體的規格書配置模擬用的二極體的正向電壓 (Vf) 和 Ron (導通電阻)。這是一種開關元件用量最少的低成本拓撲。由於減少了工頻整流橋,所以它相對于傳統生涯PFC拓撲效率得到了提升,但由於工頻整流器支路中的傳導損耗較高,其效率略低於具有 LF MOSFET 的圖騰柱轉換器。

Screenshot of the simulation overview of a classical boost converter
圖 6:仿真概覽 - 傳統升壓轉換器
Screenshot of a simulation overview from a Totem-Pole converter for LF Diodes
圖 7:仿真概覽 - 圖騰柱轉換器 - LF 二極管
Screenshot of a simulation overview from an LF MOSFET totem pole converter
圖 8:仿真概覽 - 圖騰柱轉換器 - LF MOSFET

圖騰柱轉換器 – LF MOSFET

Circuit diagram of a LF MOSFET totem pole converter
圖 9:圖騰柱轉換器 – LF MOSFET 拓撲

具有低頻率(LF)MOSFET 的圖騰柱轉換器採用兩個高頻率 MOSFET 和兩個低頻率(LF)MOSFET。該拓撲未使用任何整流二極體。與整流二極體相比,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,這裡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資訊。表格中列出了所使用的元件,並對效率進行了對比。 

Topology
Classical Boost
Totem-Pole Converter – LF Diodes
Totem-Pole Converter – LF MOSFETs
Circuit Diagram
MOSFET (HF)
MOSFET - LF
-
-
Diodes – HF
-
-
Rectifier Diode Specs
Vf = 0.92 V
Ron = 0.033 Ω
Vf = 0.92 V
Ron = 0.033 Ω
-
Efficiency (SpeedFit)
98.46 %
98.97 %
99.39 %
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元件中的損耗,而上述效率僅包括功率半導體元件中的損耗。 

SpeedFit  模擬軟體 2.0 允許使用者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 肖特基二極體,還可以配置低頻率矽二極體的規格,以説明估計轉換器效率的實際值。“Simulation”(模擬)選項卡上的“系統”和“元件概覽”表(如圖 6 - 8 所示)總結了 HF MOSFET、LF MOSFET 和 SiC/Si 整流二極體等不同元件中的損耗,便於分別分析每個元件中的損耗並優化設計。

Technical SupportPower Applications Forum

More Articles

View All
Power
|
設計資源

Wolfspeed SpeedVal Kit™ 透過恩智浦 (NXP) 控制卡擴充控制選項

Continue Reading  Blog

Footer

Social Media

  • Facebook
  • Instagram
  • X
  • LinkedIn
  • YouTube
Copyright © 2024 Wolfspeed, Inc.