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AC/DC 拓撲：SpeedFit 示例

Jul 14, 2022

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Wolfspeed SpeedFit 2.0 Design Simulator^TM 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, R_g-on,ext	4.7 Ohm
Device	Turn-off gate resistor, R_g-off,ext	2.2 Ohm
Thermal	Thermal interface resistance, R_th,ch	0.985 K/W
Thermal	Heatsink temperature, T_h	Variable
Thermal	Thermal resistance, R_th,ha	1.7 K/W
Thermal	Heatsink time constant, τ_ha	60
Thermal	Additional heat source on heatsink, P_add	0
Thermal	Ambient temperature, T_amb	50 ^oC
Simulation	Inductor, L	0.44 mH
Simulation	Silicon Diode Forward Voltage, V_f	0.92 V
Simulation	Silicon Diode On-Resistance, R_on	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 R_th,ch= R_th + R_th,PCB + R_th,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，R_th,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

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)	C3M0045065J1	C3M0045065J1	C3M0045065J1
MOSFET - LF	-	-	C3M0015065D
Diodes – HF	C6D20065D	-	-
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。