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選擇合適的 Wolfspeed 設計工具

Aug 12, 2022
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Article

電力電子系統設計是一個複雜的工程問題。傳統上,克服相關挑戰需要主題專家進行耗時的分析。幸運的是,工程師們可選擇各種現代工具,顯著加快設計過程並優化結果。這些工具涵蓋軟體類比工具(如 PLECS® 和 SPICE)和基於測量的方法(如動態性能表徵)。每種分析方法都有其自身的優勢和局限性,適合解決特定的設計問題。本文將對此進行描述。

PLECS® 是一款專為電力電子系統模擬開發的模擬工具,有助於工程師設計控制方案、拓撲結構和熱系統。該工具涵蓋多個物理學領域,可簡化對系統機械、熱或磁性元件的分析。PLECS® 採用理想的電晶體開關模型,可動態選擇電晶體電阻暫態變化前後的積分時間步長。對於開關電路應用,該分析方法使 PLECS® 相對於傳統電路級類比具有巨大的速度優勢。由於電氣元件被理想化,因此採用分析方式對功率損耗進行描述(通過查閱資料表或函數),以匹配實驗結果。Wolfspeed 的 PLECS 模型根據資料表資訊構建,如圖 1 所示。一般而言,PLECS® 對於控制設計、元件選擇、預測系統損耗、預測元件結溫和熱系統設計非常有用。除了提供可供下載的完整 PLECS® 模型組合,Wolfspeed 還免費提供針對系統設計問題開發的線上評估工具 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
Figure 1. PLECS model is built from datasheet data

雖然 PLECS® 是一款強大的模擬工具,但它也有局限性。例如,PLECS® 中的電晶體模型使用資料表開發,因此所考慮的開關能量對於低電感系統來說是典型值。同樣,導通損耗和熱模型使用典型的資料表值。因此,留出設計餘量始終至關重要,因為邊界情形缺陷元件的結溫比 PLECS® 預測的標稱 TJ 更高(因損耗和熱阻抗更高所致)。一般來說,應使用壽命模型設計最高每迴圈溫度 δ,因為允許 TFLUID 和 TJ,MAX 之間的擺幅可能無法保證獲得預期的系統運行壽命。此外,還應謹慎考量系統模型中的電信號。雖然低頻特性(如紋波電壓、輸出電流和功率因數)可被精確模擬,但在 PLECS® 中無法預測由元件開關產生的動態特性。因此,元件邊緣速率和電壓過沖等參數未被模擬捕捉,而且對寄生元件建模也沒有意義,因為在經簡化的電模擬中寄生元件所作的貢獻無關緊要。

為了演示理想化的開關和低頻電路動態特性,圖 2 示出了 PLECS 中的降壓型轉換器類比。低側開關電壓示出硬開關行為被簡化為簡易方波;壓擺率、過沖、上升/下降時間和其他動態特性未被類比。然而,從輸出電壓波形可以看出,電氣域波形仍然有用,因為許多參數(如輸出紋波)仍可被模擬,而無需精確的開關動態特性。一般而言,由電力電子器件和濾波器無源元件決定的低頻現象將在 PLECS 中被正確模擬。

A circuit diagram showing that using Wolfspeed provided SPICE models for dynamic evaluation is not advised.
Figure 2. PLECS models capture low frequency dynamics, but not switching dynamics

不同於 PLECS®,電路級模擬器(如 SPICE)試圖預測詳細的開關瞬態事件,使得它們能夠模擬許多在 PLECS® 中被忽略的電氣動態特性。對於需要元件瞬態變化的研究來說,電路級類比應是首選工具。一些可能的示例包括動態均流、蒙特卡羅分析或電磁相容性(EMC)分析。遺憾的是,如果模型複雜性增加,還會對類比速度產生重大不利影響。對於轉換器模擬而言,必須按所模擬的秒來計算數千個此類動態事件,這使得此類模型的類比速度很慢,對控制或熱設計並不實用。此外,當模擬瞬態事件時,不應假設開關事件被精確預測,因為要精確預測開關事件,需要電晶體、電路寄生元件和柵極驅動的精確模型。因此,不建議使用 Wolfspeed 提供的 SPICE 模型進行“動態評估”。

作為應用實例,圖 3 示出了箝位元電感負載電路的 SPICE 類比示例(類似於 Wolfspeed 的評估套件)。掃描匯流排電感會引起過沖電壓、振鈴頻率和阻尼比發生很大變化。具體而言,匯流排電感變化 9 nH 會導致 200 V 的過沖預測差值。改變柵極驅動模型也會產生類似影響,改變電晶體模型則會產生更大差異。因此,使用 SPICE 模型來預測詳細的元件動態特性可能極具挑戰性和誤導性。

A circuit connection graphic beside two line graphs. These are used as evidence to confirm that transistor dynamics can be predicted in SPICE.
Figure 3. Transistor dynamics predicted in SPICE are dependent on system parasitics

如果需要資料表中提供的資訊之外的動態特性,請考慮使用測量而非 SPICE。雖然獲得精確的元件測量值成本高昂且過程複雜,但 Wolfspeed 為其所有產品都提供了動態特性評估套件,其中一些可通過 Arrow Testdrive 程式借用。這些動態特性評估套件可簡化測量過程,這得益於它們具有低寄生電感和高品質計量(對於原型設計階段測量開關信號而言,這通常是一個需要突破的主要事項)。這些評估套件非常適合測量時序(TDelay-On、TDelay-Off、TRise、TFall)、過沖(VDS-Max、ID-Max)、開關速度(di/dt、dv/dt)和開關能量(EON、EOFF、ERR),但執行此類測量需要高頻寬示波器和探頭(至少 100 MHz/s)。高側柵極或漏極電壓的表徵同樣需要具有高壓隔離的差分探頭。最後,評估套件包含可用於測量元件電流的電流查看電阻器 (CVR)。為了重點突出評估套件的功能,圖 4 示出了利用 Wolfspeed CIL 評估套件進行的柵極電阻掃描。

這三種方法在電力電子設計過程中均有應用,每種方法都應在設計過程中加以適當利用。

PLECS®
Circuit-Level
Measurement
Example Applications
System Evaluation Device Selection Control Design Thermal Design
Dynamic Current Sharing Monte Carlo Simulations EMC Analysis
Dynamic Measurements Overshoot (RBSOA) Gate Resistor Selection Short Circuit Analysis
Pro
Focused tool, helpful features
General tool, unlimited possibilities
Correct choice for dynamic evaluation
Con
Simplifies switching events in electrical domain
Model prediction influenced by circuit (e.g. Gate Drive model, parasitics, etc.)
Requires equipment Proper metrology is non-trivial (evaluation kit recommended)
Simulation Speed
On the order of seconds simulated per second
On the order of milliseconds simulated per second
NA
Free Options
LTspice®
Eval kits available on loan through Arrow TestdriveTM program
Paid Options
PLECS® Standalone PLECS® Blockset
Ex. OrCAD® PSpice®, PathWave ADS
Available for Purchase
Infographic detailing the workflow outlined in the article above.
Figure 5. Recommended Workflow

如需瞭解我們設計工具的更多資訊,敬請瀏覽我們“工具與支援介面”,或向我們“Wolfspeed 功率應用線上討論平台”的專家諮詢。

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