了解電源中碳化硅 （SiC） MOSFET 和肖特基二極管的在線行為是設計過程中的關鍵組件。與硅基技術相比，作為一項相對較新的技術，可視化這些碳化硅組件的性能可以幫助設計人員更輕松地利用這項技術。

SpeedFit 2.0 設計仿真器基于常用的 PLECS 仿真平臺，根據用戶指定的自定義數據從所需的轉換器拓撲結構開始，提供全面的性能概覽。輸入各種系統參數后，用戶可以在基于碳化硅的解決方案中虛擬測試和比較組件和拓撲配置、開關和傳導損耗估算以及熱管理方案。

其結果是一種快速有效地利用基于SiC的功率晶體管的簡單方法。

在PLECS平臺上使用碳化硅進行設計

PLECS平臺由Plexim開發，是一種常用的基于Web的模擬器（WBS），既可以“獨立”，也可以集成到Simulink中。標準 C 腳本接口允許對動態系統進行簡單的建模和仿真，無論是方程、框圖還是電域、磁域（電感器和變壓器）、機械域和熱域中的物理模型。

仿真通過常微分方程 （ODE） 求解器和每個域中的集總單元模型進行。分析工具包括穩態、交流、脈沖響應和多音分析，為功率轉換器提供精確的模型。由于與硅功率技術相比，SiC的實現相對較新，因此在大多數常見仿真平臺（LTSpice、PLECS等）中，包含寄生效應（例如雜散電感、封裝電感）的精確電氣和熱模型可能涉及一些額外的設計步驟和考慮因素。

這給我們帶來了一個重要的觀點，因為除其他因素外，寄生效應導致碳化硅電子器件的普遍不確定性，這可能會延遲或以其他方式阻礙該技術在各種電源應用中取得的進展。然而，碳化硅作為基礎半導體材料的獨特物理特性允許在高開關速度和電壓水平下實現出色的高功率性能，從而產生更高效、高電壓、高功率密度的轉換器。這為減小尺寸、重量和功率要求的應用打開了大門，例如太陽能微型逆變器、固態照明、清潔大型電源系統的轉換器，甚至是電動汽車 （EV） 的高效電源模塊。

如果設計人員沒有使用過這種技術，那么驅動這些晶體管以最小化傳導和開關損耗的過程可能是一個挑戰。使用基于 SiC 的功率轉換器啟動設計可以通過無縫 Web 界面中的 SpeedFit 2.0 完成，以快速計算功率器件的損耗和結溫。它還可以幫助確定應用的最佳元件選擇，以及所述元件之間的比較性能，以及該性能如何隨不同的系統級參數而變化，例如碳化硅MOSFET的柵極電阻（Rg）選擇。

特別是在MOSFET的情況下，可以確定需要并聯以獲得最佳轉換器功能的器件數量。配備基本初始設計參數和波形的設計人員無需花費數小時梳理數據表并進行計算，而是能夠實施碳化硅技術。（圖 1）列出了工程師使用 SpeedFit 2.0 啟動 SiC 設計的分步過程。

圖1：SpeedFit 2.0 通過引導過程初始化 SiC 設計，該過程涉及選擇基本轉換器/逆變器拓撲、輸入輸入參數、選擇 Wolfspeed 器件以及定義熱系統，然后產生基本計算和穩態仿真結果。

接下來，可以通過包含Wolfspeed碳化硅器件損耗和熱阻抗信息的文件繼續設計過程，這些文件可在Wolfspeed網站上找到。通過這種方式，PLECS平臺用戶可以下載和訪問這些模型，以便使用與仿真相匹配的實驗室結果開始設計、制造和測試過程。

PLECS獨立工具還包括一個免費的演示模式，該模式提供一系列預構建的SiC設計，可以通過Plexim的網站訪問。這使設計工程師能夠鳥瞰各種碳化硅轉換器/逆變器、充電和電源拓撲及其各自的性能。例如，（圖2）顯示了PLECS演示模型中使用Wolfspeed C3M0030090K和C3M0065090D SiC MOSFET的示例雙有源橋（DAB）轉換器。

圖2：雙有源橋 （DAB） SiC 轉換器示例（來源：Plexim）

使用 SpeedFit 2.0 啟動基于碳化硅的設計

輸入用戶參數

使用 SpeedFit 2.0 啟動 SiC 設計既簡單又直接，首選通用轉換器類型：DC/DC、AC/DC 或 DC/AC。然后指示設計人員在“輸入”選項卡中選擇轉換器匹配電路。

(表 1）列出了轉換器類型和后續匹配電路供您選擇。

如圖3所示，提示設計人員為所選電路鍵入輸入參數，其中每個參數都有預定義的下限和上限。2 無源元件值（如電容和電感）可以手動輸入，也可以根據接口內完成的建議計算自動選擇。

所有轉換器類型的輸入參數列表如下：

輸入電壓 （伏直流電）

輸出電壓 （伏直流電）

額定輸出功率（W）

開關頻率（千赫）

開關頻率 （kHz） 和死區時間 （ns）

交流頻率（赫茲）

功率因數

圖3：具有升壓轉換器拓撲的 SpeedFit 2.0 輸入選項卡

選擇碳化硅組件

輸入用戶數據后，可以根據輸入數據（例如阻斷電壓、平均電流、RMS 電流）列出推薦的商用 Wolfspeed 碳化硅元件（例如 MOSFET、二極管、模塊）及其各自的數據表，從而選擇器件。這對于剛接觸碳化硅元件的設計人員很有幫助，因為它繞過了通過潛在元件庫的初始導航，從而降低了實現基于SiC的電路的障礙。但是，通過檢查“顯示所有可用”組件的提示，仍然可以隨時獲得組件的完整列表。元件的選擇會導致提示，詢問設計中并聯元件的數量，以及導通/關斷柵極電阻。

定義熱系統

在此步驟之后，引導用戶定義其所選系統的冷卻系統和熱屬性。假設冷卻系統包括安裝到公共散熱器的所有設備，可以選擇將額外的熱源（例如，輔助轉換器）耦合到公共散熱器。用戶定義熱界面電阻等參數。熱仿真本身可以是可變散熱器溫度（用戶定義熱阻、散熱器時間常數、散熱器上的任何其他電源和環境溫度的參數），也可以是具有預定義值的固定溫度。

模擬

仿真選項卡顯示最終電路模型及其各自的散熱器配置和用戶已指定的關鍵參數。穩態仿真是用幾個周期的輸入/輸出電壓和電流波形執行的。如圖4所示，系統的輸入電壓、額定輸出功率、開關頻率和效率顯示在“系統概覽”表中。“器件概覽”表顯示所有MOSFET、二極管和模塊的總開關、導通、組合損耗、總轉換器損耗和結溫。

圖 4：包含模擬結果的 SpeedFit 2.0 模擬選項卡。這些參數可以通過改變輸入、器件和熱參數輕松調整。

比較/更改仿真結果

模擬波形可以通過跟蹤每個仿真軌跡的結果歷史記錄列表進行比較、更改和調整。通過這種方式，可以修改和輕松分析初始輸入參數、組件和熱參數等系統參數，從而提供初始設計迭代的無縫基本概覽。

通過PLECS平臺使用碳化硅進行設計

SpeedFit 2.0 是一款功能強大的基于 Web 的工具，用于在常見電路拓撲中選擇和比較 Wolfspeed 的碳化硅半導體器件。用戶能夠輸入與其感興趣的應用相關的實際系統參數，并虛擬測試組件，以估計給定應用中器件的損耗和預期溫度。所有這些都是通過廣泛使用的PLECS仿真工具完成的，使設計工程師能夠在熟悉的平臺上實現其SiC設計。選擇最佳的 Wolfspeed 組件后，工程師能夠訪問其器件的損耗模型和熱阻抗信息，以便在 PLECS 中離線使用，從而進一步加快設計過程。

審核編輯：郭婷