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借助 SpeedFit 設計模擬軟體縮短比較分析的時間

Adam Anders
Oct 21, 2021
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借助 SpeedFit 設計模擬軟體縮短比較分析的時間

相較於基於矽或絕緣柵雙極型電晶體之類的傳統技術,碳化矽(SiC)元件擁有明顯的優點,因此很多應用都能從運用 SiC 元件中獲益。但是使用 SiC 元件進行參數設計並不是一個很簡單的過程。無論是開發新產品還是升級此前的設計,最好在確定拓撲和元件選擇之前的早期設計階段對元件進行模擬和優化。 

SpeedFit 設計模擬軟體是一款基於 PLECS 的線上系統級電路模擬軟體,旨在多個關鍵領域提供幫助,例如元件間比較和拓撲比較、並聯設計配置、熱管理,以及評估硬體性能(如半導體損耗和電感器/變壓器波形),以説明適應特定的電路拓撲或晶片組。 

SpeedFit 開關和傳導損耗建模

對於 SiC MOSFET 來說,可以分析三種典型的損耗源。首先是開啟時的損耗 (Eon),其次是關斷時的損耗 (Eoff),最後是“導通”時的導通損耗(表示為 Pconduction)。因此,總功率損耗可以表示為:

圖 1 顯示了柵極信號脈衝以及 Vds、Ids 和 Ploss 與信號在開關狀態下的關係。 

圖 1:SiC MOSFET 開關和功率損耗波形

在導通狀態下,導通功率損耗取決於結溫(TJ)和漏極電流(ID)。查閱資料表中保存了不同 VDS 與 ID 在不同溫度下的曲線,可通過插值法得到“導通”電壓。由於漏電流非常低,因此在關斷狀態下的功率損耗可以忽略。 

開關損耗取決於 VDS、IDS、TJ 和外部柵極電阻(RG)。開關損耗 三維查閱資料表(作為 ID、關斷狀態下電壓以及溫度之間的函數),用來確定在每個開關事件下的 Eon 和 Eoff 值。之後根據所選定的外部柵極電阻(RG)對這些值進行調整。在測量元件整體平均總損耗時,一般的目標是計算在一個開關週期內的整體導通和開關能量損耗,然後在下一週期內輸出為平均功率脈衝。這可以使用探頭測量並觀察週期平均值(導通損耗)和週期性脈衝平均值(開關損耗)的模組來實現,之後算出結果的平均值(見圖 2)。 

圖 2:測定整體器件平均損耗的概念圖和實施方式

SpeedFit 能夠類比電氣和熱屬性性質,之後使用查閱資料表來確定電流開關週期的損耗,並將其添加到熱電路(包括散熱器)中。對於電路來說,模擬將計算在開關上施加的電流和電壓,然後在每次開關事件之後將資料提供給損耗查閱資料表。在熱域中,根據此前的週期和當前的週期損耗估算並更新 TJ。得出的結果 TJ 被回饋回查閱資料表,進行下一週期。圖 3 顯示了這種類比。 

圖 3:SpeedFit 模擬模擬電氣和熱模型

如何運行設置和模擬 

當使用 SpeedFit 開始應用模擬時,使用者需要選擇 Application(應用)Input(輸入)運行參數和拓撲、選擇 Device(元件)、設定 Thermal(熱)參數,運行 Simulation(模擬),然後列印 Summary(摘要)報告。我們提供了使用者指南,其中包含每個拓撲的實用技巧和範圍限制。 

在選擇應用時,可以選擇幾種轉換器類型(直流/直流、交流/直流以及直流/交流)。對於有源前端之後是 CLLC DC/DC 級這樣的多級轉換器,應該分別對每一級進行單獨模擬。 

輸入運行參數時(見圖 4),首先選擇需要的拓撲(若已知),或直接輸入輸入/輸出參數,查看匹配的電路。使用者看到的參數可能會根據所選的拓撲而改變,並且“基於諧振”的拓撲擁有能夠自動導入建議諧振元件值的按鈕,實現簡單的配置方式。 

圖 4:SpeedFit 輸入運行參數和選擇拓撲窗口

在確定電壓和電流額定值後,Device(元件)選項卡將顯示建議元件的簡短清單,同時提供所有可選元件的較長/完整列表(MOSFET二極體模組)。在此過程中,用戶可以調整並聯元件的數量以及柵極電阻。此外,在 AC/DC 或 DC/AC 應用中使用分立式 MOSFET 時,可以為 MOSFET 並聯添加肖特基二極體,以減少開關過程中的損耗。 

在設置參數時,將自動包含內部熱結電阻(Rth,JC);然而,使用者需要輸入熱介面電阻 (Rth,ch)。介面電阻在每次開關時都會計算。含多個開關位置的功率模組將根據模組中開關的數量包含兩個、四個或六個以及更多的並聯 Rth,ch。熱阻值可以是變數或固定值,這取決於具體應用。可變散熱器可建模為對周圍環境的熱阻抗(Tamb),並包含時間常數。若選擇固定散熱器選項,必須指定散熱器溫度。對於包含一次測和二次側 SiC 元件拓撲,需要為每側使用單獨(但相同)的散熱器。 

Simulate(模擬)選項卡會顯示使用者指定的拓撲、散熱器配置以及關鍵參數(見圖 5)。在模擬之前,電路中的無源元件參數可以根據設計來調整,以調整設計來匹配應用,並進一步優化結果。在模擬之後,將顯示波形和源極電壓、負載電壓、輸入電流、負載電流以及二極體 / MOSFET 電壓和電流。系統概述表會顯示功率、開關頻率、效率,而元件概述表會顯示示出損耗和估計的結溫。元件概述表中顯示的損耗是所有此類元件的損耗之和。例如,在圖 5 中,所有 4 個一次側SiC MOSFET 的損耗之和為 54.54 W。 

圖 5:SpeedFit 模擬頁面顯示拓撲、波形以及多個數字讀數

用戶可以運行相同拓撲的其它反覆運算,從而比較結果,優化設計。首先,使用者點擊模擬選項卡中的“hold result(保留結果)”按鈕,以保存此前的結果以供參考,之後輸入另一個的工作點,或評估替代的元件,然後重新模擬新條件。 

最後,Summary(摘要)選項卡提供多次模擬運行(叫作“變數”)的詳細結果,並顯示並排比較結果。同時 User Guide(使用者指南)選項卡會提供每種拓撲的運行限制表,同時解釋每個選項卡中的參數。還會提供示例資料,可在不同的熱條件下使用,在熱阻抗還未確定的情況下,能夠為設計新系統提供良好的初次近似值。 

SpeedFit 應用示例 

讓我們運行一個示例應用:45 kW 三相逆變器,採用風冷方式,供電為 800 V 母線供電,輸出 480 V,開關頻率為 10 kHz。目標是評估 Wolfspeed 的 WolfPACK SiC MOSFET 半橋模組以及分立式 SiC MOSFET。 

在本例中,在幾分鐘之內便輕鬆評估採用多種可能方案的四種選項(兩項分立式和兩項模組式),所有的效率都 >99%。方案包含: 

在衡量安裝尺寸、溫度裕量、功率密度/佈局和成本等多種因素時,這些結果可為進行完整的系統架構評估提供參考意見。 6 顯示了模擬結果,並演示了比較包含分立式和模組化 MOSFET 的不同方案是多麼地快速和容易。 

圖 6:45 kW 三相逆變器仿真結果示例

另一個示例是雙向 CLLC DC/DC 車載充電系統,運行功率為 22 kW(可用於電動汽車充電應用)。由於其將用於電動汽車,輸入電壓在 380 - 900 VDC 之間,而輸出應該在 480 - 800 VDC 之間。本示例測試了三種功率水準,以評估效率和結溫。三種輸出分別為 400 V、480 V 和 610 V,全都以36 A 的輸出電流運行。所選的拓撲是全橋 CLLC 諧振轉換器,工作頻率在 135 - 250 kHz 之間。這裡的計畫是運行模擬、查看結果,然後根據需要進行微調,從而優化設計。可以在參考設計 CRD-22DD12N 中看到具體的示例。 

首次在“Input(輸入)”選項卡(見圖 7)進行首次運行,使用者輸入輸入電壓、輸出電壓、輸出功率 Lm/Lr、Fsw、和 Fres。開始時建議 Fsw = Fres (190 kHz)。剩下的數值會自動填充。 

圖 7:22-kW CLLC DC/DC 轉換器在“Input(輸入)”選項卡中的示例

在“Device(元件)”選項卡中,一次側和二次側均選擇 32 mΩ 1,200 V MOSFET,以達到最高效率。柵極電阻如果高於默認設定值,會導致開關損耗增加,但能夠在測試階段帶來設計靈活性。Rg 應根據電路實驗來確定,以達到期望的電壓過沖裕量以及電磁干擾性能。 

對於熱性能,選擇隔離的液冷散熱器,能夠將散熱器溫度保持在 65 ˚C。兩側均帶塗有導熱矽脂的高性能氮化鋁隔離器,能夠為 TO-247 解決方案提供良好的隔熱和低熱阻(使用者指南顯示為 0.6 K/W)。 

在模擬過程中,首次運行的結果顯示輸出功率過低。根據 CLLC 轉換器的基本原則,較低的工作頻率會提升輸出電壓(和輸出功率),因此採用較低的開關頻率(降至 170 kHz)重新進行模擬。這能夠將輸出功率提升至可接受的值,並提供可用的方案(如圖 8 所示)。 

圖 8:CLLC DC/DC 轉換器的第二次運行仿真結果示例

在本例中,用戶可以比較幾個額外工況點的運行結果:點擊“hold result(保留結果)”選項,之後返回“Input(輸入)”選項卡,然後輸入新資料。在重新模擬之後,必要時調整 Fsw,以微調所需的輸出,然後為剩餘的工況點重複該流程。系統將生成摘要,其中包含每模擬結果,以便進行相鄰工況比較。該方法也可用於驗證在所有工作條件下的安全工作溫度。 

結論 

多種配置的模擬,並取得優化結果之後,設計人員可以顯著獲益。SpeedFit 是一款基於PLECS平台的易用軟體,能夠取代頗費時間的人工資料表比較和計算。設計人員可以找到合適的 SiC MOSFET 和 SiC 二極體、在不同的工況點下評估性能(和損耗)、確定系統的熱要求、評估多種不同類型的拓撲並獲取波形以優化電容器和與電磁相關的設計,從而顯著獲益。 

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