使用 SpeedFit™ 设计仿真器，对于采用碳化硅的工业电机驱动进行设计仿真
快速测试 Wolfspeed 的碳化硅功率器件，设计更高效、更小型、更安静的工业单相和三相电机驱动系统，涵盖工业低电压电机驱动、伺服驱动、热泵与空调的压缩机等。SpeedFit 提供了散热器参数的具体选择，使得您的仿真更加贴近于实际的条件和运行。
查看所有 视频
Article
Wolfspeed SpeedFit 2.0 Design SimulatorTM 是一款快速且实用的仿真工具，可快速比较不同的系统规格、拓扑、器件甚至热参数，帮助用户针对应用进行优化设计。这款用户友好型工具可用来估计系统损耗、热性能和效率，还可以观测重要的电压和电流波形。关于 SpeedFit 功能的详细论述参见此处。
SpeedFit 2.0 允许用户模拟 AC/DC 应用的六种不同的单相拓扑（图 1）。这些拓扑为有源单相升压模式电路，用于功率因数校正（PFC）应用（图 2）。PFC 的设计满足了对低成本和高效率的需求。针对电源的 80 PLUS® 效率要求标准，以及针对电源谐波含量的 IEEE 519 等标准越来越严格。为了符合当今的效率标准，电源需要具有高效的 PFC 级。SpeedFit 仿真软件能够评估在高频率操作下运用 SiC 器件的设计，以及在低频率工作下的可配置 Si 或 SiC 二极管，帮助用户设计 PFC。
本文以AC/DC应用为例，重点介绍怎样利用SpeedFit来对不同拓扑进行比较，从而设计出效率更高的变换器。为便于说明，我们假设了一组系统规格，比较三种不同的拓朴。这些规格的选取基于 Wolfspeed 3.6 kW 图腾柱转换器参考设计。下文针对所选规格，对这些拓扑的性能进行了介绍和比较。这些拓扑分别为：传统升压转换器、图腾柱转换器 - LF 二极管、图腾柱转换器 - LF MOSFET。
参数 | 值 |
|---|---|
输入电压 | 230 V (RMS) – 额定 |
电压 | 420 V (DC) |
输出功率 | 3.6 kW – 最大值 |
市电频率 | 50 - 60 Hz |
开关频率 | 60 kHz |
电感值 | 0.44 mH |
死区时间 | 200 ns |
表 1：3.6 kW 图腾柱 PFC 参考设计的规格
SpeedFit 参数
可以在 SpeedFit 的不同选项卡中输入表 1 中的规格。可在此处查看关于 SpeedFit 不同选项卡的更多信息。可以使用表 2 中列出的信息指定与 3.6 kW 图腾柱转换器参考设计一致的参数。
选项卡 | 参数 | 值 |
|---|---|---|
输入 | 输入电压 | 230 V |
输入 | 输出电压 | 420 V |
输入 | 额定输出功率， So | 3600 VA |
输入 | 交流频率， Fac | 60 Hz |
输入 | 开关频率 | 60 kHz |
输入 | 死区时间 | 200 ns |
器件 | 并联 MOSFET 的数量 | 1 |
器件 | 导通栅极电阻，Rg-on,ext | 4.7 Ohm |
器件 | 关断栅极电阻，Rg-off,ext | 2.2 Ohm |
热学 | 散热器温度，Rth,ch | 0.985 K/W |
热学 | 散热器温度，Th | Variable |
热学 | 热阻，Rth,ha | 1.7 K/W |
热学 | 散热器时间常数，τha | 60 |
热学 | 散热器上的附加热源，Padd | 0 |
热学 | 环境温度，Tamb | 50 oC |
仿真 | 电感器，L | 0.44 mH |
仿真 | 硅二极管正向电压，Vf | 0.92 V |
仿真 | 硅二极管导通电阻，Ron | 0.033 Ohms |
表 2：SpeedFit 参数及其值
热参数与3.6 kW图腾柱参考设计一致。界面热阻 Rth,ch = Rth + Rth,PCB + Rth,TIM = (0.015 + 0.45 + 0.52) K/W = 0.985 K/W。
参考设计中给出的散热器到环境热阻为 3.4 K/W。但是， 这适用于半桥臂的散热器。由于有两个半桥臂，因此有效的散热器热阻可以近似为 1.7 K/W。因此，Rth,ha = (3.4 / 2) K/W = 1.7 K/W。
在“Simulation”（仿真）选项卡（图 3），提供了正向压降 (Vf) 和导通电阻 (Ron) 参数，以便把整流二极管的损耗包括在效率计算中。用户可以根据他们打算使用的整流二极管编辑这些值。这些二极管可以是 Si 二极管或 SiC 二极管。由于这些二极管将在低频率波形下工作，因此它们的损耗主要是导通损耗。这些器件中的损耗显示在“器件概览”表中。
“Summary”（总结）选项卡显示损耗和波形的系统概览。具体而言，对于 AC/DC 拓扑，还包括整流二极管损耗和 LF MOSFET。
拓扑对比
为了便于说明，本文比较了三种不同的 PFC 拓扑。本节包含有关这些拓扑的重要说明和观察结果，重点介绍如何利用SpeedFit 比较这些不同的拓扑。
传统升压 PFC
传统升压拓扑由由全波整流器和升压变换器组成。整流二极管中只流过工频电流；因此，Si 整流二极管可以用于该整流级。因此，通过整流级的电流只会增加转换器中的传导损耗。因此，Vf 和 Ron 参数足以确定这些二极管中的损耗。从图 6 中可以看出，整流二极管是损耗最大的器件，影响该拓扑的整体效率。因此，在评估拓扑效率时，观察系统所有组件中的损耗至关重要。由于传统升压 PFC 效率较低，因此适用于低功耗应用。该拓扑适用于符合 80 Plus Silver 或 Gold 标准。
在 SpeedFit 中，用户可以对整流二极管的正向压降Vf 和 导通电阻Ron进行配置。图 6 显示的“器件概览”表显示了不同器件中损耗的分布，即 MOSFET、二极管（升压级）和整流二极管（整流级）。
图腾柱转换器 – LF 二极管
具有低频率（LF）二极管的图腾柱转换器由两个以开关频率运行的 MOSFET 和两个工作在工频的二极管组成。用户可以从“Device”（器件）选项卡中选择 Wolfspeed MOSFET，还可以根据客户所用的Si或SIC二极管的规格书配置仿真用的二极管的正向电压 (Vf) 和 Ron （导通电阻）。这是一种开关器件用量最少的低成本拓扑。由于减少了工频整流桥，所以它相对于传统生涯PFC拓扑效率得到了提升，但由于工频整流器支路中的传导损耗较高，其效率略低于具有 LF MOSFET 的图腾柱转换器。
图腾柱转换器 – LF MOSFET
具有低频率（LF）MOSFET 的图腾柱转换器采用两个高频率 MOSFET 和两个低频率（LF）MOSFET。该拓扑未使用任何整流二极管。与整流二极管相比，LF MOSFET 中 产生的导通损耗要低得多。因此，这是最高效的拓扑。但是，这里需要更多的栅极驱动器，会增加转换器的尺寸和成本。
总结
表 3 总结了考虑的三种拓扑的详细信息。表格中列出了所使用的器件，并对效率进行了对比。
拓扑 | 传统升压转换器 | 图腾柱转换器 – LF 二极管 | 图腾柱转换器 – LF MOSFET |
电路图 |  |  |  |
MOSFET (HF) | |||
MOSFET - LF | - | - | |
二极管 – HF | - | ||
整流二极管规格 | Vf = 0.92 V Ron = 0.033 Ω | Vf = 0.92 V Ron = 0.033 Ω | - |
效率 (SpeedFit) | 98.46 % | 98.97 % | 99.39 % |
表 3：三种拓扑之间进行对比：传统升压转换器、图腾柱转换器 - LF 二极管、图腾柱转换器 - LF MOSFET
请注意：图腾柱转换器 – LF MOSFET 的参考设计中所注的峰值效率（>99%）包括辅助电源和转换器其他组件中的损耗，而上述效率仅包括功率半导体器件中的损耗。
SpeedFit 仿真软件 2.0 允许用户进行其应用的不同拓扑和设计的对比。用户可以灵活选择最优的 SiC MOSFET 和 SiC 肖特基二极管，还可以配置低频率硅二极管的规格，以帮助估计转换器效率的实际值。“Simulation”（仿真）选项卡上的“系统”和“器件概览”表（如图 6 - 8 所示）总结了 HF MOSFET、LF MOSFET 和 SiC/Si 整流二极管等不同组件中的损耗，便于分别分析每个器件中的损耗并优化设计。