借助SpeedFit設(shè)計(jì)仿真軟件 縮短比較分析的時(shí)間

在確定電壓和電流額定值后， Device（器件） 選項(xiàng)卡將顯示建議器件的簡短列表，同時(shí)提供所有可選器件的較長/完整列表（MOSFET、二極管、模塊）。在此過程中，用戶可以調(diào)整并聯(lián)器件的數(shù)量以及柵極電阻。此外，在 AC/DC 或 DC/AC 應(yīng)用中使用分立式 MOSFET 時(shí)，可以為 MOSFET 并聯(lián)添加肖特基二極管，以減少開關(guān)過程中的損耗。

在設(shè)置 Thermal（熱） 參數(shù)時(shí)，將自動(dòng)包含內(nèi)部熱結(jié)電阻（Rth,JC）；然而，用戶需要輸入熱界面電阻 （Rth,ch）。界面電阻在每次開關(guān)時(shí)都會(huì)計(jì)算。含多個(gè)開關(guān)位置的功率模塊將根據(jù)模塊中開關(guān)的數(shù)量包含兩個(gè)、四個(gè)或六個(gè)以及更多的并聯(lián) Rth,ch。熱阻值可以是變量或固定值，這取決于具體應(yīng)用?？勺兩崞骺山閷χ車h(huán)境的熱阻抗（Tamb），并包含時(shí)間常數(shù)。若選擇固定散熱器選項(xiàng)，必須指定散熱器溫度。對于包含一次測和二次側(cè) SiC 器件拓?fù)?，需要為每?cè)使用單獨(dú)（但相同）的散熱器。

Simulate（仿真） 選項(xiàng)卡會(huì)顯示用戶指定的拓?fù)?、散熱器配置以及關(guān)鍵參數(shù)（見圖 5）。在仿真之前，電路中的無源元件參數(shù)可以根據(jù)設(shè)計(jì)來調(diào)整，以調(diào)整設(shè)計(jì)來匹配應(yīng)用，并進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)果。在仿真之后，將顯示波形和源極電壓、負(fù)載電壓、輸入電流、負(fù)載電流以及二極管 / MOSFET 電壓和電流。系統(tǒng)概述表會(huì)顯示功率、開關(guān)頻率、效率，而器件概述表會(huì)顯示示出損耗和估計(jì)的結(jié)溫。器件概述表中顯示的損耗是所有此類器件的損耗之和。例如，在圖 5 中，所有 4 個(gè)一次側(cè) SiC MOSFET 的損耗之和為 54.54 W。

▲ 圖 5：SpeedFit 模擬頁面顯示拓?fù)洹⒉ㄐ我约岸鄠€(gè)數(shù)字讀數(shù)

用戶可以運(yùn)行相同拓?fù)涞钠渌?，從而比較結(jié)果，優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先，用戶點(diǎn)擊仿真選項(xiàng)卡中的“hold result（保留結(jié)果）”按鈕，以保存此前的結(jié)果以供參考，之后輸入另一個(gè)的工作點(diǎn)，或評估替代的器件，然后重新仿真新條件。

最后， Summary（摘要） 選項(xiàng)卡提供多次仿真運(yùn)行（叫作“變量”）的詳細(xì)結(jié)果，并顯示并排比較結(jié)果。同時(shí) User Guide（用戶指南） 選項(xiàng)卡會(huì)提供每種拓?fù)涞倪\(yùn)行限制表，同時(shí)解釋每個(gè)選項(xiàng)卡中的參數(shù)。還會(huì)提供示例數(shù)據(jù)，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?yàn)樵O(shè)計(jì)新系統(tǒng)提供良好的初次近似值。

** #3 **

SpeedFit 應(yīng)用示例

讓我們運(yùn)行一個(gè)示例應(yīng)用：45 kW 三相逆變器，采用風(fēng)冷方式，供電為 800 V 母線供電，輸出 480 V，開關(guān)頻率為 10 kHz。目標(biāo)是評估 Wolfspeed 的 WolfPACK SiC MOSFET 半橋模塊以及分立式 SiC MOSFET。

在本例中，在幾分鐘之內(nèi)便輕松評估采用多種可能方案的四種選項(xiàng)（兩項(xiàng)分立式和兩項(xiàng)模塊式），所有的效率都 >99%。方案包含：

• 2 × C3M0016120K (16 mΩ TO-247-4)
• 2 × C3M0021120K (21 mΩ TO-247-4)
• CAB011M12FM3 (11 mΩ FM3 WolfPACK)
• CAB016M12FM3 (16 mΩ FM3 WolfPACK)

在衡量安裝尺寸、溫度裕量、功率密度/布局和成本等多種因素時(shí)，這些結(jié)果可為進(jìn)行完整的系統(tǒng)架構(gòu)評估提供參考意見。圖 6 顯示了仿真結(jié)果，并演示了比較包含分立式和模塊化 MOSFET 的不同方案是多么地快速和容易。

▲ 圖 6：45 kW 三相逆變器仿真結(jié)果示例

另一個(gè)示例是雙向 CLLC DC/DC 車載充電系統(tǒng)，運(yùn)行功率為 22 kW（可用于電動(dòng)汽車充電應(yīng)用）。由于其將用于電動(dòng)汽車，輸入電壓在 380 - 900 VDC 之間，而輸出應(yīng)該在 480 - 800 VDC 之間。本示例測試了三種功率水平，以評估效率和結(jié)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(yùn)行。所選的拓?fù)涫侨珮?CLLC 諧振轉(zhuǎn)換器，工作頻率在 135 - 250 kHz 之間。這里的計(jì)劃是運(yùn)行仿真、查看結(jié)果，然后根據(jù)需要進(jìn)行微調(diào)，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)?？梢栽趨⒖荚O(shè)計(jì) CRD-22DD12N 中看到具體的示例。

首次在“Input（輸入）”選項(xiàng)卡（見圖 7）進(jìn)行首次運(yùn)行，用戶輸入輸入電壓、輸出電壓、輸出功率 Lm/Lr、Fsw 和 Fres。開始時(shí)建議 Fsw = Fres （190 kHz）。剩下的數(shù)值會(huì)自動(dòng)填充。

▲ 圖 7：22 kW CLLC DC/DC 轉(zhuǎn)換器****在“Input（輸入）”

選項(xiàng)卡中的示例

在“Device（器件）”選項(xiàng)卡中，一次側(cè)和二次側(cè)均選擇 32 mΩ 1,200 V MOSFET，以達(dá)到最高效率。柵極電阻如果高于默認(rèn)設(shè)定值，會(huì)導(dǎo)致開關(guān)損耗增加，但能夠在測試階段帶來設(shè)計(jì)靈活性。Rg 應(yīng)根據(jù)電路實(shí)驗(yàn)來確定，以達(dá)到期望的電壓過沖裕量以及電磁干擾性能。

對于熱性能，選擇隔離的液冷散熱器，能夠?qū)⑸崞鳒囟缺３衷?65 ?C。兩側(cè)均帶涂有導(dǎo)熱硅脂的高性能氮化鋁隔離器，能夠?yàn)?TO-247 解決方案提供良好的隔熱和低熱阻（用戶指南顯示為 0.6 K/W）。

在仿真過程中，首次運(yùn)行的結(jié)果顯示輸出功率過低。根據(jù) CLLC 轉(zhuǎn)換器的基本原則，較低的工作頻率會(huì)提升輸出電壓（和輸出功率），因此采用較低的開關(guān)頻率（降至 170 kHz）重新進(jìn)行模擬。這能夠?qū)⑤敵龉β侍嵘量山邮艿闹?，并提供可用的方案（如圖 8 所示）。

▲ 圖 8：CLLC DC/DC 轉(zhuǎn)換器的第二次運(yùn)行仿真結(jié)果示例

在本例中，用戶可以比較幾個(gè)額外工況點(diǎn)的運(yùn)行結(jié)果：點(diǎn)擊“hold result（保留結(jié)果）”選項(xiàng)，之后返回“Input（輸入）”選項(xiàng)卡，然后輸入新數(shù)據(jù)。在重新仿真之后，必要時(shí)調(diào)整 Fsw，以微調(diào)所需的輸出，然后為剩余的工況點(diǎn)重復(fù)該流程。系統(tǒng)將生成摘要，其中包含每仿真結(jié)果，以便進(jìn)行相鄰工況比較。該方法也可用于驗(yàn)證在所有工作條件下的安全工作溫度。

▲ 圖 9

** #4 **

結(jié)論

多種配置的仿真，并取得優(yōu)化結(jié)果之后，設(shè)計(jì)人員可以顯著獲益。SpeedFit 是一款基于 PLECS 平臺(tái)的易用軟件，能夠取代頗費(fèi)時(shí)間的人工數(shù)據(jù)表比較和計(jì)算。設(shè)計(jì)人員可以找到合適的 SiC MOSFET 和 SiC 二極管、在不同的工況點(diǎn)下評估性能（和損耗）、確定系統(tǒng)的熱要求、評估多種不同類型的拓?fù)洳@取波形以優(yōu)化電容器和與電磁相關(guān)的設(shè)計(jì)，從而顯著獲益。