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选择合适的 Wolfspeed 设计工具

Aug 12, 2022
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电力电子系统设计是一个复杂的工程问题。传统上,克服相关挑战需要主题专家进行耗时的分析。幸运的是,工程师们可选择各种现代工具,显著加快设计过程并优化结果。这些工具涵盖软件模拟工具(如 PLECS® 和 SPICE)和基于测量的方法(如动态性能表征)。每种分析方法都有其自身的优势和局限性,适合解决特定的设计问题。本文将对此进行描述。

PLECS® 是一款专为电力电子系统模拟开发的模拟工具,有助于工程师设计控制方案、拓扑结构和热系统。该工具涵盖多个物理学领域,可简化对系统机械、热或磁性元件的分析。PLECS® 采用理想的晶体管开关模型,可动态选择晶体管电阻瞬时变化前后的积分时间步长。对于开关电路应用,该分析方法使 PLECS® 相对于传统电路级模拟具有巨大的速度优势。由于电气元件被理想化,因此采用分析方式对功率损耗进行描述(通过查找表或函数),以匹配实验结果。Wolfspeed 的 PLECS 模型根据数据表信息构建,如图 1 所示。一般而言,PLECS® 对于控制设计、器件选择、预测系统损耗、预测器件结温和热系统设计非常有用。除了提供可供下载的完整 PLECS® 模型组合,Wolfspeed 还免费提供针对系统设计问题开发的在线评估工具 SpeedFit

An example of Wolfspeed's data sheets and thermal models. It's used to illustrate how those files are used to build PLECS models
图 1:PLECS 模型根据数据表数据构建

虽然 PLECS® 是一款强大的模拟工具,但它也有局限性。例如,PLECS® 中的晶体管模型使用数据表开发,因此所考虑的开关能量对于低电感系统来说是典型值。同样,导通损耗和热模型使用典型的数据表值。因此,留出设计余量始终至关重要,因为边界情形缺陷器件的结温比 PLECS® 预测的标称 TJ 更高(因损耗和热阻抗更高所致)。一般来说,应使用寿命模型设计最高每循环温度 δ,因为允许 TFLUID 和 TJ,MAX 之间的摆幅可能无法保证获得预期的系统运行寿命。此外,还应谨慎考量系统模型中的电信号。虽然低频特性(如纹波电压、输出电流和功率因数)可被精确模拟,但在 PLECS® 中无法预测由器件开关产生的动态特性。因此,器件边缘速率和电压过冲等参数未被模拟捕捉,而且对寄生元件建模也没有意义,因为在经简化的电模拟中寄生元件所作的贡献无关紧要。

为了演示理想化的开关和低频电路动态特性,图 2 示出了 PLECS 中的降压型转换器模拟。低侧开关电压示出硬开关行为被简化为简易方波;压摆率、过冲、上升/下降时间和其他动态特性未被模拟。然而,从输出电压波形可以看出,电气域波形仍然有用,因为许多参数(如输出纹波)仍可被模拟,而无需精确的开关动态特性。一般而言,由电力电子器件和滤波器无源器件决定的低频现象将在 PLECS 中被正确模拟。

A circuit diagram showing that using Wolfspeed provided SPICE models
图 2:PLECS 模型可捕捉低频动态特性,但无法捕捉开关动态特性

不同于 PLECS®,电路级模拟器(如 SPICE)试图预测详细的开关瞬态事件,使得它们能够模拟许多在 PLECS® 中被忽略的电气动态特性。对于需要器件瞬态变化的研究来说,电路级模拟应是首选工具。一些可能的示例包括动态均流、蒙特卡罗分析或电磁兼容性(EMC)分析。遗憾的是,如果模型复杂性增加,还会对模拟速度产生重大不利影响。对于转换器模拟而言,必须按所模拟的秒来计算数千个此类动态事件,这使得此类模型的模拟速度很慢,对控制或热设计并不实用。此外,当模拟瞬态事件时,不应假设开关事件被精确预测,因为要精确预测开关事件,需要晶体管、电路寄生元件和栅极驱动的精确模型。因此,不建议使用 Wolfspeed 提供的 SPICE 模型进行“动态评估”。

作为应用实例,图 3 示出了箝位电感负载电路的 SPICE 模拟示例(类似于 Wolfspeed 的评估套件)。扫描总线电感会引起过冲电压、振铃频率和阻尼比发生很大变化。具体而言,总线电感变化 9 nH 会导致 200 V 的过冲预测差值。改变栅极驱动模型也会产生类似影响,改变晶体管模型则会产生更大差异。因此,使用 SPICE 模型来预测详细的器件动态特性可能极具挑战性和误导性。

A circuit connection graphic beside two line graphs. These are used as evidence to confirm that transistor dynamics can be predicted in SPICE.
图 3:在 SPICE 中预测的晶体管动态特性依赖于系统寄生效应

如果需要数据表中提供的信息之外的动态特性,请考虑使用测量而非 SPICE。虽然获得精确的器件测量值成本高昂且过程复杂,但 Wolfspeed 为其所有产品都提供了动态特性评估套件,其中一些可通过 Arrow TestdriveTM 程序借用。这些动态特性评估套件可简化测量过程,这得益于它们具有低寄生电感和高质量计量(对于原型设计阶段测量开关信号而言,这通常是一个需要突破的主要事项)。这些评估套件非常适合测量时序(TDelay-On、TDelay-Off、TRise、TFall)、过冲(VDS-Max、ID-Max)、开关速度(di/dt、dv/dt)和开关能量(EON、EOFF、ERR),但执行此类测量需要高带宽示波器和探头(至少 100 MHz/s)。高侧栅极或漏极电压的表征同样需要具有高压隔离的差分探头。最后,评估套件包含可用于测量器件电流的电流查看电阻器 (CVR)。为了重点突出评估套件的功能,图 4 示出了利用 Wolfspeed CIL 评估套件进行的栅极电阻扫描。

图 4:可利用 CIL 评估套件分析整个 RG 值的 MOSFET 动态特性

这三种方法在电力电子设计过程中均有应用,每种方法都应在设计过程中加以适当利用。

 
PLECS®
电路级仿真
实际测量
示例应用
系统评估 器件选择 控制设计 热设计
动态均流 蒙特卡罗模拟 EMC 分析
动态测量 过冲 (RBSOA) 栅极电阻选择 短路分析
Pro
专注的工具,有用的功能
通用工具,无限可能
动态评估的正确选择
Con
简化电气域中的开关事件
受电路影响的模型预测(如栅极驱动模型、寄生效应等)
需要设备 恰当的计量方法非常重要(推荐使用评估套件)
模拟速度
每秒模拟的秒数量级
每秒模拟的毫秒数量级
不适用
免费选项
LTspice®
Eval 套件可通过 Arrow TestdriveTM 程序租借
付费选项
PLECS® Standalone PLECS® Blockset
例如 OrCAD® PSpice®、PathWave ADS
可供购买
Infographic detailing the workflow outlined in the article above.
图 5:推荐的工作流程
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