採用碳化矽設計工業馬達驅動器的實用工具
Simplify, accelerate and de-risk the design process when designing industrial motor drives with silicon carbide and easily access IE4 and IE5 efficiency standards.
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電力電子系統設計是一個複雜的工程問題。傳統上，克服相關挑戰需要主題專家進行耗時的分析。幸運的是，工程師們可選擇各種現代工具，顯著加快設計過程並優化結果。這些工具涵蓋軟體類比工具（如 PLECS® 和 SPICE）和基於測量的方法（如動態性能表徵）。每種分析方法都有其自身的優勢和局限性，適合解決特定的設計問題。本文將對此進行描述。
PLECS® 是一款專為電力電子系統模擬開發的模擬工具，有助於工程師設計控制方案、拓撲結構和熱系統。該工具涵蓋多個物理學領域，可簡化對系統機械、熱或磁性元件的分析。PLECS® 採用理想的電晶體開關 模型，可動態選擇電晶體電阻暫態變化前後的積分時間步長。對於開關電路應用，該分析方法使 PLECS® 相對於傳統電路級類比具有巨大的速度優勢。由於電氣元件被理想化，因此採用分析方式對功率損耗進行描述（通過查閱資料表或函數），以匹配實驗結果。Wolfspeed 的 PLECS 模型根據資料表資訊構建，如圖 1 所示。一般而言，PLECS® 對於控制設計、元件選擇、預測系統損耗、預測元件結溫和熱系統設計非常有用。除了提供可供下載的完整 PLECS® 模型組合，Wolfspeed 還免費提供針對系統設計問題開發的線上評估工具 SpeedFit。
雖然 PLECS® 是一款強大的模擬工具，但它也有局限性。例如，PLECS® 中的電晶體模型使用資料表開發，因此所考慮的開關能量對於低電感系統來說是典型值。同樣，導通損耗和熱模型使用典型的資料表值。因此，留出設計餘量始終至關重要，因為邊界情形缺陷元件的結溫比 PLECS® 預測的標稱 TJ 更高（因損耗和熱阻抗更高所致）。一般來說，應使用壽命模型設計最高每迴圈溫度 δ，因為允許 TFLUID 和 TJ,MAX 之間的擺幅可能無法保證獲得預期的系統運行壽命。此外，還應謹慎考量系統模型中的電信號。雖然低頻特性（如紋波電壓、輸出電流和功率因數）可被精確模擬，但在 PLECS® 中無法預測由元件開關產生的動態特性。因此，元件邊緣速率和電壓過沖等參數未被模擬捕捉，而且對寄生元件建模也沒有意義，因為在經簡化的電模擬中寄生元件所作的貢獻無關緊要。
為了演示理想化的開關和低頻電路動態特性，圖 2 示出了 PLECS 中的降壓型轉換器類比。低側開關電壓示出硬開關行為被簡化為簡易方波；壓擺率、過沖、上升/下降時間和其他動態特性未被類比。然而，從輸出電壓波形可以看出，電氣域波形仍然有用，因為許多參數（如輸出紋波）仍可被模擬，而無需精確的開關動態特性。一般而言，由電力電子器件和濾 波器無源元件決定的低頻現象將在 PLECS 中被正確模擬。
不同於 PLECS®，電路級模擬器（如 SPICE）試圖預測詳細的開關瞬態事件，使得它們能夠模擬許多在 PLECS® 中被忽略的電氣動態特性。對於需要元件瞬態變化的研究來說，電路級類比應是首選工具。一些可能的示例包括動態均流、蒙特卡羅分析或電磁相容性（EMC）分析。遺憾的是，如果模型複雜性增加，還會對類比速度產生重大不利影響。對於轉換器模擬而言，必須按所模 擬的秒來計算數千個此類動態事件，這使得此類模型的類比速度很慢，對控制或熱設計並不實用。此外，當模擬瞬態事件時，不應假設開關事件被精確預測，因為要精確預測開關事件，需要電晶體、電路寄生元件和柵極驅動的精確模型。因此，不建議使用 Wolfspeed 提供的 SPICE 模型進行“動態評估”。
作為應用實例，圖 3 示出了箝位元電感負載電路的 SPICE 類比示例（類似於 Wolfspeed 的評估套件）。掃描匯流排電感會引起過沖電壓、振鈴頻率和阻尼比發生很大變化。具體而言，匯流排電感變化 9 nH 會導致 200 V 的過沖預測差值。改變柵極驅動模型也會產生類似影響，改變電晶體模型則會產生更大差異。因此，使用 SPICE 模型來預測詳細的元件動態特性可能極具挑戰性和誤導性。
如果需要資料表中提供的資訊之外的動態特性，請考慮使用測量而非 SPICE。雖然獲得精確的元件測量值成本高昂且過程複雜，但 Wolfspeed 為其所有產品都提供了動態特性評估套件，其中一些可通過 Arrow Testdrive 程式借用。這些動態特性評估套件可簡化測量過程，這得益於它們具有低寄生電感和高品質計量（對於原型設計階段測量開關信號而言，這通常是一個需要突破的主要事項）。這些評估套件非常適合測量時序（TDelay-On、TDelay-Off、TRise、TFall）、過沖（VDS-Max、ID-Max）、開關速度（di/dt、dv/dt）和開關能量（EON、EOFF、ERR），但執行此類測量需要高頻寬示波器和探頭（至少 100 MHz/s）。高側柵極或漏極電壓的表徵同樣需要具有高壓隔離的差分探頭。最後，評估套件包含可用於測量元件電流的電流查看電阻器 (CVR)。為了重點突出評估套件的功能，圖 4 示出了利用 Wolfspeed CIL 評估套件進行的柵極電阻掃描。
這三種方法在電力電子設計過程中均有應用，每種方法都應在設計過程中加以適當利用。
PLECS® | Circuit-Level | Measurement | |
|---|---|---|---|
Example Applications | System Evaluation Device Selection Control Design Thermal Design | Dynamic Current Sharing Monte Carlo Simulations EMC Analysis | Dynamic Measurements Overshoot (RBSOA) Gate Resistor Selection Short Circuit Analysis |
Pro | Focused tool, helpful features | General tool, unlimited possibilities | Correct choice for dynamic evaluation |
Con | Simplifies switching events in electrical domain | Model prediction influenced by circuit (e.g. Gate Drive model, parasitics, etc.) | Requires equipment Proper metrology is non-trivial (evaluation kit recommended) |
Simulation Speed | On the order of seconds simulated per second | On the order of milliseconds simulated per second | NA |
Free Options | LTspice® | Eval kits available on loan through Arrow TestdriveTM program | |
Paid Options | PLECS® Standalone PLECS® Blockset | Ex. OrCAD® PSpice®, PathWave ADS | Available for Purchase |
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