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選擇合適的Wolfspeed設(shè)計(jì)工具

星星科技指導(dǎo)員 ? 來(lái)源:wolfspeed ? 作者:wolfspeed ? 2023-05-24 10:36 ? 次閱讀
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電力電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的工程問(wèn)題。傳統(tǒng)上,克服相關(guān)挑戰(zhàn)需要主題專(zhuān)家進(jìn)行耗時(shí)的分析。幸運(yùn)的是,工程師們可選擇各種現(xiàn)代工具,顯著加快設(shè)計(jì)過(guò)程并優(yōu)化結(jié)果。這些工具涵蓋軟件模擬工具(如 PLECS? 和 SPICE)和基于測(cè)量的方法(如動(dòng)態(tài)性能表征)。每種分析方法都有其自身的優(yōu)勢(shì)和局限性,適合解決特定的設(shè)計(jì)問(wèn)題。本文將對(duì)此進(jìn)行描述。

PLECS? 是一款專(zhuān)為電力電子系統(tǒng)模擬開(kāi)發(fā)的模擬工具,有助于工程師設(shè)計(jì)控制方案、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和熱系統(tǒng)。該工具涵蓋多個(gè)物理學(xué)領(lǐng)域,可簡(jiǎn)化對(duì)系統(tǒng)機(jī)械、熱或磁性元件的分析。PLECS? 采用理想的晶體管開(kāi)關(guān)模型,可動(dòng)態(tài)選擇晶體管電阻瞬時(shí)變化前后的積分時(shí)間步長(zhǎng)。對(duì)于開(kāi)關(guān)電路應(yīng)用,該分析方法使 PLECS? 相對(duì)于傳統(tǒng)電路級(jí)模擬具有巨大的速度優(yōu)勢(shì)。由于電氣元件被理想化,因此采用分析方式對(duì)功率損耗進(jìn)行描述(通過(guò)查找表或函數(shù)),以匹配實(shí)驗(yàn)結(jié)果。Wolfspeed 的 PLECS 模型根據(jù)數(shù)據(jù)表信息構(gòu)建,如圖 1 所示。一般而言,PLECS? 對(duì)于控制設(shè)計(jì)、器件選擇、預(yù)測(cè)系統(tǒng)損耗、預(yù)測(cè)器件結(jié)溫和熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)非常有用。除了提供可供下載的完整 PLECS? 模型組合,Wolfspeed 還免費(fèi)提供針對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題開(kāi)發(fā)的在線評(píng)估工具 SpeedFit。

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圖 1:PLECS 模型根據(jù)數(shù)據(jù)表數(shù)據(jù)構(gòu)建

雖然 PLECS? 是一款強(qiáng)大的模擬工具,但它也有局限性。例如,PLECS? 中的晶體管模型使用數(shù)據(jù)表開(kāi)發(fā),因此所考慮的開(kāi)關(guān)能量對(duì)于低電感系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是典型值。同樣,導(dǎo)通損耗和熱模型使用典型的數(shù)據(jù)表值。因此,留出設(shè)計(jì)余量始終至關(guān)重要,因?yàn)檫吔缜樾稳毕萜骷慕Y(jié)溫比 PLECS? 預(yù)測(cè)的標(biāo)稱(chēng) TJ 更高(因損耗和熱阻抗更高所致)。一般來(lái)說(shuō),應(yīng)使用壽命模型設(shè)計(jì)最高每循環(huán)溫度 δ,因?yàn)樵试S TFLUID 和 TJ,MAX 之間的擺幅可能無(wú)法保證獲得預(yù)期的系統(tǒng)運(yùn)行壽命。此外,還應(yīng)謹(jǐn)慎考量系統(tǒng)模型中的電信號(hào)。雖然低頻特性(如紋波電壓、輸出電流功率因數(shù))可被精確模擬,但在 PLECS? 中無(wú)法預(yù)測(cè)由器件開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)特性。因此,器件邊緣速率和電壓過(guò)沖等參數(shù)未被模擬捕捉,而且對(duì)寄生元件建模也沒(méi)有意義,因?yàn)樵诮?jīng)簡(jiǎn)化的電模擬中寄生元件所作的貢獻(xiàn)無(wú)關(guān)緊要。

為了演示理想化的開(kāi)關(guān)和低頻電路動(dòng)態(tài)特性,圖 2 示出了 PLECS 中的降壓型轉(zhuǎn)換器模擬。低側(cè)開(kāi)關(guān)電壓示出硬開(kāi)關(guān)行為被簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)易方波;壓擺率、過(guò)沖、上升/下降時(shí)間和其他動(dòng)態(tài)特性未被模擬。然而,從輸出電壓波形可以看出,電氣域波形仍然有用,因?yàn)樵S多參數(shù)(如輸出紋波)仍可被模擬,而無(wú)需精確的開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)特性。一般而言,由電力電子器件和濾波器無(wú)源器件決定的低頻現(xiàn)象將在 PLECS 中被正確模擬。

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圖 2:PLECS 模型可捕捉低頻動(dòng)態(tài)特性,但無(wú)法捕捉開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)特性

不同于 PLECS?,電路級(jí)模擬器(如 SPICE)試圖預(yù)測(cè)詳細(xì)的開(kāi)關(guān)瞬態(tài)事件,使得它們能夠模擬許多在 PLECS? 中被忽略的電氣動(dòng)態(tài)特性。對(duì)于需要器件瞬態(tài)變化的研究來(lái)說(shuō),電路級(jí)模擬應(yīng)是首選工具。一些可能的示例包括動(dòng)態(tài)均流、蒙特卡羅分析或電磁兼容性(EMC)分析。遺憾的是,如果模型復(fù)雜性增加,還會(huì)對(duì)模擬速度產(chǎn)生重大不利影響。對(duì)于轉(zhuǎn)換器模擬而言,必須按所模擬的秒來(lái)計(jì)算數(shù)千個(gè)此類(lèi)動(dòng)態(tài)事件,這使得此類(lèi)模型的模擬速度很慢,對(duì)控制或熱設(shè)計(jì)并不實(shí)用。此外,當(dāng)模擬瞬態(tài)事件時(shí),不應(yīng)假設(shè)開(kāi)關(guān)事件被精確預(yù)測(cè),因?yàn)橐_預(yù)測(cè)開(kāi)關(guān)事件,需要晶體管、電路寄生元件和柵極驅(qū)動(dòng)的精確模型。因此,不建議使用 Wolfspeed 提供的 SPICE 模型進(jìn)行“動(dòng)態(tài)評(píng)估”。

作為應(yīng)用實(shí)例,圖 3 示出了箝位電感負(fù)載電路的 SPICE 模擬示例(類(lèi)似于 Wolfspeed 的評(píng)估套件)。掃描總線電感會(huì)引起過(guò)沖電壓、振鈴頻率和阻尼比發(fā)生很大變化。具體而言,總線電感變化 9 nH 會(huì)導(dǎo)致 200 V 的過(guò)沖預(yù)測(cè)差值。改變柵極驅(qū)動(dòng)模型也會(huì)產(chǎn)生類(lèi)似影響,改變晶體管模型則會(huì)產(chǎn)生更大差異。因此,使用 SPICE 模型來(lái)預(yù)測(cè)詳細(xì)的器件動(dòng)態(tài)特性可能極具挑戰(zhàn)性和誤導(dǎo)性。

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圖 3:在 SPICE 中預(yù)測(cè)的晶體管動(dòng)態(tài)特性依賴(lài)于系統(tǒng)寄生效應(yīng)

如果需要數(shù)據(jù)表中提供的信息之外的動(dòng)態(tài)特性,請(qǐng)考慮使用測(cè)量而非 SPICE。雖然獲得精確的器件測(cè)量值成本高昂且過(guò)程復(fù)雜,但 Wolfspeed 為其所有產(chǎn)品都提供了動(dòng)態(tài)特性評(píng)估套件,其中一些可通過(guò) Arrow TestdriveTM 程序借用。這些動(dòng)態(tài)特性評(píng)估套件可簡(jiǎn)化測(cè)量過(guò)程,這得益于它們具有低寄生電感和高質(zhì)量計(jì)量(對(duì)于原型設(shè)計(jì)階段測(cè)量開(kāi)關(guān)信號(hào)而言,這通常是一個(gè)需要突破的主要事項(xiàng))。這些評(píng)估套件非常適合測(cè)量時(shí)序(TDelay-On、TDelay-Off、TRise、TFall)、過(guò)沖(VDS-Max、ID-Max)、開(kāi)關(guān)速度(di/dt、dv/dt)和開(kāi)關(guān)能量(EON、EOFF、ERR),但執(zhí)行此類(lèi)測(cè)量需要高帶寬示波器和探頭(至少 100 MHz/s)。高側(cè)柵極或漏極電壓的表征同樣需要具有高壓隔離的差分探頭。最后,評(píng)估套件包含可用于測(cè)量器件電流的電流查看電阻器 (CVR)。為了重點(diǎn)突出評(píng)估套件的功能,圖 4 示出了利用 Wolfspeed CIL 評(píng)估套件進(jìn)行的柵極電阻掃描。

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圖 4:可利用 CIL 評(píng)估套件分析整個(gè) RG 值的 MOSFET 動(dòng)態(tài)特性

這三種方法在電力電子設(shè)計(jì)過(guò)程中均有應(yīng)用,每種方法都應(yīng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中加以適當(dāng)利用。

PLECS? 電路級(jí)仿真 實(shí)際測(cè)量
示例應(yīng)用 系統(tǒng)評(píng)估 器件選擇 控制設(shè)計(jì) 熱設(shè)計(jì) 動(dòng)態(tài)均流 蒙特卡羅模擬 EMC 分析 動(dòng)態(tài)測(cè)量 過(guò)沖 (RBSOA) 柵極電阻選擇 短路分析
Pro 專(zhuān)注的工具,有用的功能 通用工具,無(wú)限可能 動(dòng)態(tài)評(píng)估的正確選擇
Con 簡(jiǎn)化電氣域中的開(kāi)關(guān)事件 受電路影響的模型預(yù)測(cè)(如柵極驅(qū)動(dòng)模型、寄生效應(yīng)等) 需要設(shè)備 恰當(dāng)?shù)挠?jì)量方法非常重要(推薦使用評(píng)估套件)
模擬速度 每秒模擬的秒數(shù)量級(jí) 每秒模擬的毫秒數(shù)量級(jí) 不適用
免費(fèi)選項(xiàng) SpeedFit 2.0 設(shè)計(jì)模擬器TM LTspice? Eval 套件可通過(guò) Arrow TestdriveTM 程序租借
付費(fèi)選項(xiàng) PLECS? Standalone PLECS? Blockset 例如 OrCAD? PSpice?、PathWave ADS 可供購(gòu)買(mǎi)

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圖 5:推薦的工作流程

審核編輯:郭婷

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