Article
Wolfspeed SpeedFit 2.0 Design SimulatorTM 是一款快速且實用的模擬工具，可快速比較不同的系統規格、拓撲、元件甚至熱參數，幫助用戶針對應用進行優化設計。這款使用者友好型工具可用來估計系統損耗、熱性能和效率，還可以觀測重要的電壓和電流波形。關於 SpeedFit 功能的詳細論述參見此處。
SpeedFit 2.0 允許用戶模擬 AC/DC 應用的六種不同的單相拓撲（圖 1）。這些拓撲為有源單相升壓模式電路，用於功率因數校正（PFC）應用（圖 2）。PFC 的設計滿足了對低成本和高效率的需求。針對電源的 80 PLUS® 效率要求標準，以及針對電源諧波含量的 IEEE 519 等標準越來越嚴格。為了符合當今的效率標準，電源需要具有高效的 PFC 級。SpeedFit 模擬軟體能夠評估在高頻率操作下運用 SiC 元件的設計，以及在低頻率工作下的可配置 Si 或 SiC 二極體，幫助用戶設計 PFC。
本文以AC/DC應用為例，重點介紹怎樣利用SpeedFit來對不同拓撲進行比較，從而設計出效率更高的變換器。為便於說明，我們假設了一組系統規格，比較三種不同的拓樸。這些規格的選取基於 Wolfspeed 3.6 kW 圖騰柱轉換器參考設計。下文針對所選規格，對這些拓撲的性能進行了介紹和比較。這些拓撲分別為：傳統升壓轉換器、圖騰柱轉換器 - LF 二極體、圖騰柱轉換器 - LF MOSFET。
Parameter | Value |
|---|---|
Input Voltage | 230 V (RMS) – Nominal |
Voltage | 420 V (DC) |
Output Power | 3.6 kW – Max |
Line Frequency | 50 - 60 Hz |
Switching Frequency | 60 kHz |
Inductor Value | 0.44 mH |
Deadtime | 200 ns |
SpeedFit 參數
可以在 SpeedFit 的不同選項卡中輸入表 1 中的規格。可在此處查看關於 SpeedFit 不同選項卡的更多資訊。可以使用表 2 中列出的信息指定與 3.6 kW 圖騰柱轉換器參考設計一致的參數。
Tab | Parameter | Value |
|---|---|---|
Input | Input Voltage | 230 V |
Input | Output Voltage | 420 V |
Input | Related output power, So | 3600 VA |
Input | AC Frequency, Fac | 60 Hz |
Input | Switching Frequency | 60 kHz |
Input | Deadtime | 200 ns |
Device | Number of parallel MOSFETs | 1 |
Device | Turn-on gate resistor, Rg-on,ext | 4.7 Ohm |
Device | Turn-off gate resistor, Rg-off,ext | 2.2 Ohm |
Thermal | Thermal interface resistance, Rth,ch | 0.985 K/W |
Thermal | Heatsink temperature, Th | Variable |
Thermal | Thermal resistance, Rth,ha | 1.7 K/W |
Thermal | Heatsink time constant, τha | 60 |
Thermal | Additional heat source on heatsink, Padd | 0 |
Thermal | Ambient temperature, Tamb | 50 oC |
Simulation | Inductor, L | 0.44 mH |
Simulation | Silicon Diode Forward Voltage, Vf | 0.92 V |
Simulation | Silicon Diode On-Resistance, Ron | 0.033 Ohms |
熱參數與3.6 kW圖騰柱參考設計一致。介面熱阻 Rth,ch = Rth + Rth,PCB + Rth,TIM = (0.015 + 0.45 + 0.52) K/W = 0.985 K/W。
參考設計中給出的散熱器到環境熱阻 為 3.4 K/W。但是，這適用於半橋臂的散熱器。由於有兩個半橋臂，因此有效的散熱器熱阻可以近似為 1.7 K/W。因此，Rth,ha = (3.4 / 2) K/W = 1.7 K/W。
在“Simulation”（模擬）選項卡（圖 3），提供了正向壓降 (Vf) 和導通電阻 (Ron) 參數，以便把整流二極體的損耗包括在效率計算中。使用者可以根據他們打算使用的整流二極體編輯這些值。這些二極體可以是 Si 二極體或 SiC 二極體。由於這些二極體將在低頻率波形下工作，因此它們的損耗主要是導通損耗。這些元件中的損耗顯示在“元件概覽”表中。
“Summary”（總結）選項卡顯示損耗和波形的系統概覽。具體而言，對於 AC/DC 拓撲，還包括整流二極體損耗和 LF MOSFET。
拓撲對比
為了便於說明，本文比較了三種不同的 PFC 拓撲。本節包含有關這些拓撲的重要說明和觀察結果，重點介紹如何利用SpeedFit 比較這些不同的拓撲。
傳統升壓 PFC
傳統升壓拓撲由由全波整流器和升壓變換器組成。整流二極體中只流過工頻電流；因此，Si 整流二極體可以用於該整流級。因此，通過整流級的電流只會增加轉換器中的傳導損耗。因此，Vf 和 Ron 參數足以確定這些二極體中的損耗。從圖 6 中可以看出，整流二極體是損耗最大的元件，影響該拓撲的整體效率。因此，在評估拓撲效率時，觀察系統所有元件中的損耗至關重要。由於傳統升壓 PFC 效率較低，因此適用於低功耗應用。該拓撲適用於符合 80 Plus Silver 或 Gold 標準。
在 SpeedFit 中，用戶可以對整流二極體的正向壓降Vf 和 導通電阻Ron進行配置。圖 6 顯示的“元件概覽”表顯示了不同元件中損耗的分佈，即 MOSFET、二極體（升壓級）和整流二極體（整流級）。
圖騰柱轉換器 – LF 二極體
具有低頻率（LF）二極體的圖騰柱轉換器由兩個以開關頻率運行的 MOSFET 和兩個工作在工頻的二極體組成。使用者可以從“Device”（元件）選項卡中選擇 Wolfspeed MOSFET，還可以根據客戶所用的Si或SIC二極體的規格書配置模擬用的二極體的正向電壓 (Vf) 和 Ron （導通電阻）。這是一種開關元件用量最少的低成本拓撲。由於減少了工頻整流橋，所以它相對于傳統生涯PFC拓撲效率得到了提升，但由於工頻整流器支路中的傳導損耗較高，其效率略低於具有 LF MOSFET 的圖騰柱轉換器。
圖騰柱轉換器 – LF MOSFET
具有低頻率（LF）MOSFET 的圖騰柱轉換器採用兩個高頻率 MOSFET 和兩個低頻率（LF）MOSFET。該拓撲未使用任何整流二極體。與整流二極體相比，LF MOSFET 中產生的導通損耗要低得多。因此，這是最高效的拓撲。但是，這裡需要更多的柵極驅動器，會增加轉換器的尺寸和成本。
總結
表 3 總結了考慮的三種拓撲的詳細資訊。表格中列出了所使用的元件，並對效率進行了對比。
Topology | Classical Boost | Totem-Pole Converter – LF Diodes | Totem-Pole Converter – LF MOSFETs |
|---|---|---|---|
Circuit Diagram |  |  |  |
MOSFET (HF) | |||
MOSFET - LF | - | - | |
Diodes – HF | - | - | |
Rectifier Diode Specs | Vf = 0.92 V Ron = 0.033 Ω | Vf = 0.92 V Ron = 0.033 Ω | - |
Efficiency (SpeedFit) | 98.46 % | 98.97 % | 99.39 % |
請注意：圖騰柱轉換器 – LF MOSFET 的參考設計中所注的峰值效率（>99%）包括輔助電源和轉換器其他元件中的損耗，而上述效率僅包括功率半導體元件中的損耗。
SpeedFit 模擬軟體 2.0 允許使用者進行其應用的不同拓撲和設計的對比。用戶可以靈活選擇最優的 SiC MOSFET 和 SiC 肖特基二極體，還可以配置低頻率矽二極體的 規格，以説明估計轉換器效率的實際值。“Simulation”（模擬）選項卡上的“系統”和“元件概覽”表（如圖 6 - 8 所示）總結了 HF MOSFET、LF MOSFET 和 SiC/Si 整流二極體等不同元件中的損耗，便於分別分析每個元件中的損耗並優化設計。