选择合适的 Wolfspeed 设计工具
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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。
![An example of Wolfspeed's data sheets and thermal models. It's used to illustrate how those files are used to build PLECS models](/static/eae4cffb801534f93153f9f6e95e3b08/cbbb1/design-tools-01.png)
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 。
![A circuit diagram showing that using Wolfspeed provided SPICE models](/static/635b0299c8850f9a168df73be8e1bc05/5928f/design-tools-02.png)
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。
![A circuit connection graphic beside two line graphs. These are used as evidence to confirm that transistor dynamics can be predicted in SPICE.](/static/af02f0e9861f606c85ab6f8dbf2fca64/77a67/design-tools-03.png)
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 TestdriveTM 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。
![](/static/3b51f6a402e3797c8e16f39d43427fb8/59248/design-tools-04.png)
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。
PLECS® | 电路级仿真 | 实际测量 | |
示例应用 | 系统评估 器件选择 控制设计 热设计 | 动态均流 蒙特卡罗模拟 EMC 分析 | 动态测量 过冲 (RBSOA) 栅极电阻选择 短路分析 |
Pro | 专注的工具,有用的功能 | 通用工具,无限可能 | 动态评估的正确选择 |
Con | 简化电气域中的开关事件 | 受电路影响的模型预测(如栅极驱动模型、寄生效应等) | 需要设备 恰当的计量方法非常重要(推荐使用评估套件) |
模拟速度 | 每秒模拟的秒数量级 | 每秒模拟的毫秒数量级 | 不适用 |
免费选项 | LTspice® | Eval 套件可通过 Arrow TestdriveTM 程序租借 | |
付费选项 | PLECS® Standalone PLECS® Blockset | 例如 OrCAD® PSpice®、PathWave ADS | 可供购买 |
![Infographic detailing the workflow outlined in the article above.](/static/93067588550e2b5a991bfe2ac3cdc63e/fc6c9/design-tools-05.png)