PLECS®和SPICE软件模拟工具描述

选择合适的 Wolfspeed 设计工具

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。

▲ 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。

▲ 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。

▲ 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 Testdrive 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。

▲ 图 5：推荐的工作流程

审核编辑：刘清