使用SpeedFit 2.0设计模拟器快速启动基于碳化硅的设计

了解电源中碳化硅 （SiC） MOSFET 和肖特基二极管的在线行为是设计过程中的关键组件。与硅基技术相比，作为一项相对较新的技术，可视化这些碳化硅组件的性能可以帮助设计人员更轻松地利用这项技术。

SpeedFit 2.0 设计仿真器基于常用的 PLECS 仿真平台，根据用户指定的自定义数据从所需的转换器拓扑结构开始，提供全面的性能概览。输入各种系统参数后，用户可以在基于碳化硅的解决方案中虚拟测试和比较组件和拓扑配置、开关和传导损耗估算以及热管理方案。

其结果是一种快速有效地利用基于SiC的功率晶体管的简单方法。

在PLECS平台上使用碳化硅进行设计

PLECS平台由Plexim开发，是一种常用的基于Web的模拟器（WBS），既可以“独立”，也可以集成到Simulink中。标准 C 脚本接口允许对动态系统进行简单的建模和仿真，无论是方程、框图还是电域、磁域（电感器和变压器）、机械域和热域中的物理模型。

仿真通过常微分方程 （ODE） 求解器和每个域中的集总单元模型进行。分析工具包括稳态、交流、脉冲响应和多音分析，为功率转换器提供精确的模型。由于与硅功率技术相比，SiC的实现相对较新，因此在大多数常见仿真平台（LTSpice、PLECS等）中，包含寄生效应（例如杂散电感、封装电感）的精确电气和热模型可能涉及一些额外的设计步骤和考虑因素。

这给我们带来了一个重要的观点，因为除其他因素外，寄生效应导致碳化硅电子器件的普遍不确定性，这可能会延迟或以其他方式阻碍该技术在各种电源应用中取得的进展。然而，碳化硅作为基础半导体材料的独特物理特性允许在高开关速度和电压水平下实现出色的高功率性能，从而产生更高效、高电压、高功率密度的转换器。这为减小尺寸、重量和功率要求的应用打开了大门，例如太阳能微型逆变器、固态照明、清洁大型电源系统的转换器，甚至是电动汽车 （EV） 的高效电源模块。

如果设计人员没有使用过这种技术，那么驱动这些晶体管以最小化传导和开关损耗的过程可能是一个挑战。使用基于 SiC 的功率转换器启动设计可以通过无缝 Web 界面中的 SpeedFit 2.0 完成，以快速计算功率器件的损耗和结温。它还可以帮助确定应用的最佳元件选择，以及所述元件之间的比较性能，以及该性能如何随不同的系统级参数而变化，例如碳化硅MOSFET的栅极电阻（Rg）选择。

特别是在MOSFET的情况下，可以确定需要并联以获得最佳转换器功能的器件数量。配备基本初始设计参数和波形的设计人员无需花费数小时梳理数据表并进行计算，而是能够实施碳化硅技术。（图 1）列出了工程师使用 SpeedFit 2.0 启动 SiC 设计的分步过程。

图1：SpeedFit 2.0 通过引导过程初始化 SiC 设计，该过程涉及选择基本转换器/逆变器拓扑、输入输入参数、选择 Wolfspeed 器件以及定义热系统，然后产生基本计算和稳态仿真结果。

接下来，可以通过包含Wolfspeed碳化硅器件损耗和热阻抗信息的文件继续设计过程，这些文件可在Wolfspeed网站上找到。通过这种方式，PLECS平台用户可以下载和访问这些模型，以便使用与仿真相匹配的实验室结果开始设计、制造和测试过程。

PLECS独立工具还包括一个免费的演示模式，该模式提供一系列预构建的SiC设计，可以通过Plexim的网站访问。这使设计工程师能够鸟瞰各种碳化硅转换器/逆变器、充电和电源拓扑及其各自的性能。例如，（图2）显示了PLECS演示模型中使用Wolfspeed C3M0030090K和C3M0065090D SiC MOSFET的示例双有源桥（DAB）转换器。

图2：双有源桥 （DAB） SiC 转换器示例（来源：Plexim）

使用 SpeedFit 2.0 启动基于碳化硅的设计

输入用户参数

使用 SpeedFit 2.0 启动 SiC 设计既简单又直接，首选通用转换器类型：DC/DC、AC/DC 或 DC/AC。然后指示设计人员在“输入”选项卡中选择转换器匹配电路。

(表 1）列出了转换器类型和后续匹配电路供您选择。

转换器类型和匹配电路拓扑
转换器类型	匹配电路
直流到直流	降压升压 降压-升压 3 电平升压 双向 CLLC 相移全桥 LLC 谐振转换器
交流到直流	一相 2 电平 AFE 一相 3 电平 NPC AFE 三相 2 电平 AFE 三相 3 电平 NPC AFE 三相 3 电平 T 型 AFE 三相 维也纳整流器 天电转换器 无桥 PRF 升压整流器
直流到交流	单相2电平逆变器 3相2电平NPC逆变器 三相3电平逆变器 三相3电平NPC逆变器 三相<>电平T型逆变器

如图3所示，提示设计人员为所选电路键入输入参数，其中每个参数都有预定义的下限和上限。2 无源元件值（如电容和电感）可以手动输入，也可以根据接口内完成的建议计算自动选择。

所有转换器类型的输入参数列表如下：

输入电压 （伏直流电）

输出电压 （伏直流电）

额定输出功率（W）

开关频率（千赫）

开关频率 （kHz） 和死区时间 （ns）

交流频率（赫兹）

功率因数

图3：具有升压转换器拓扑的 SpeedFit 2.0 输入选项卡

选择碳化硅组件

输入用户数据后，可以根据输入数据（例如阻断电压、平均电流、RMS 电流）列出推荐的商用 Wolfspeed 碳化硅元件（例如 MOSFET、二极管、模块）及其各自的数据表，从而选择器件。这对于刚接触碳化硅元件的设计人员很有帮助，因为它绕过了通过潜在元件库的初始导航，从而降低了实现基于SiC的电路的障碍。但是，通过检查“显示所有可用”组件的提示，仍然可以随时获得组件的完整列表。元件的选择会导致提示，询问设计中并联元件的数量，以及导通/关断栅极电阻。

定义热系统

在此步骤之后，引导用户定义其所选系统的冷却系统和热属性。假设冷却系统包括安装到公共散热器的所有设备，可以选择将额外的热源（例如，辅助转换器）耦合到公共散热器。用户定义热界面电阻等参数。热仿真本身可以是可变散热器温度（用户定义热阻、散热器时间常数、散热器上的任何其他电源和环境温度的参数），也可以是具有预定义值的固定温度。

模拟

仿真选项卡显示最终电路模型及其各自的散热器配置和用户已指定的关键参数。稳态仿真是用几个周期的输入/输出电压和电流波形执行的。如图4所示，系统的输入电压、额定输出功率、开关频率和效率显示在“系统概览”表中。“器件概览”表显示所有MOSFET、二极管和模块的总开关、导通、组合损耗、总转换器损耗和结温。

图 4：包含模拟结果的 SpeedFit 2.0 模拟选项卡。这些参数可以通过改变输入、器件和热参数轻松调整。

比较/更改仿真结果

模拟波形可以通过跟踪每个仿真轨迹的结果历史记录列表进行比较、更改和调整。通过这种方式，可以修改和轻松分析初始输入参数、组件和热参数等系统参数，从而提供初始设计迭代的无缝基本概览。

通过PLECS平台使用碳化硅进行设计

SpeedFit 2.0 是一款功能强大的基于 Web 的工具，用于在常见电路拓扑中选择和比较 Wolfspeed 的碳化硅半导体器件。用户能够输入与其感兴趣的应用相关的实际系统参数，并虚拟测试组件，以估计给定应用中器件的损耗和预期温度。所有这些都是通过广泛使用的PLECS仿真工具完成的，使设计工程师能够在熟悉的平台上实现其SiC设计。选择最佳的 Wolfspeed 组件后，工程师能够访问其器件的损耗模型和热阻抗信息，以便在 PLECS 中离线使用，从而进一步加快设计过程。

审核编辑：郭婷