AC/DC 拓?fù)洌篠peedFit 示例
Wolfspeed SpeedFit 2.0 Design Simulator 是一款快速且實(shí)用的仿真工具，可快速比較不同的系統(tǒng)規(guī)格、拓?fù)洹⑵骷踔翢?a target="_blank">參數(shù)，幫助用戶針對(duì)應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。這款用戶友好型工具可用來(lái)估計(jì)系統(tǒng)損耗、熱性能和效率，還可以觀測(cè)重要的電壓和電流波形。關(guān)于 SpeedFit 功能的詳細(xì)論述參見(jiàn)此處。
SpeedFit 2.0 允許用戶模擬 AC/DC 應(yīng)用的六種不同的單相拓?fù)洌▓D 1）。這些拓?fù)錇橛性磫蜗嗌龎耗Ｊ诫娐罚糜?a target="_blank">功率因數(shù)校正（PFC）應(yīng)用（圖 2）。PFC 的設(shè)計(jì)滿足了對(duì)低成本和高效率的需求。針對(duì)電源的 80 PLUS? 效率要求標(biāo)準(zhǔn)，以及針對(duì)電源諧波含量的 IEEE 519 等標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越嚴(yán)格。為了符合當(dāng)今的效率標(biāo)準(zhǔn)，電源需要具有高效的 PFC 級(jí)。SpeedFit 仿真軟件能夠評(píng)估在高頻率操作下運(yùn)用 SiC 器件的設(shè)計(jì)，以及在低頻率工作下的可配置 Si 或 SiC 二極管，幫助用戶設(shè)計(jì) PFC。
▲ 圖 1：SpeedFit -“Application”（應(yīng)用）選項(xiàng)卡
▲ 圖 2：SpeedFit -“Input”（輸入）選項(xiàng)卡
本文以 AC/DC 應(yīng)用為例，重點(diǎn)介紹怎樣利用 SpeedFit 來(lái)對(duì)不同拓?fù)溥M(jìn)行比較，從而設(shè)計(jì)出效率更高的變換器。為便于說(shuō)明，我們假設(shè)了一組系統(tǒng)規(guī)格，比較三種不同的拓樸。這些規(guī)格的選取基于 Wolfspeed 3.6 kW 圖騰柱轉(zhuǎn)換器參考設(shè)計(jì)。下文針對(duì)所選規(guī)格，對(duì)這些拓?fù)涞男阅苓M(jìn)行了介紹和比較。這些拓?fù)浞謩e為：傳統(tǒng)升壓轉(zhuǎn)換器、圖騰柱轉(zhuǎn)換器 - LF 二極管、圖騰柱轉(zhuǎn)換器 - LF MOSFET。
▲ 表 1：3.6 kW 圖騰柱 PFC 參考設(shè)計(jì)的規(guī)格
** #1 **
SpeedFit 參數(shù)
可以在 SpeedFit 的不同選項(xiàng)卡中輸入表 1 中的規(guī)格。可在此處查看關(guān)于 SpeedFit 不同選項(xiàng)卡的更多信息。可以使用表 2 中列出的信息指定與 3.6 kW 圖騰柱轉(zhuǎn)換器參考設(shè)計(jì)一致的參數(shù)。
▲ 表 2：SpeedFit 參數(shù)及其值
熱參數(shù)與 3.6 kW 圖騰柱參考設(shè)計(jì)一致。界面熱阻 Rth,ch = Rth + Rth,PCB + Rth,TIM = (0.015 + 0.45 + 0.52) K/W = 0.985 K/W。
參考設(shè)計(jì)中給出的散熱器到環(huán)境熱阻為 3.4 K/W。但是，這適用于半橋臂的散熱器。由于有兩個(gè)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”（仿真）選項(xiàng)卡（圖 3），提供了正向壓降 (Vf) 和導(dǎo)通電阻 (Ron) 參數(shù)，以便把整流二極管的損耗包括在效率計(jì)算中。用戶可以根據(jù)他們打算使用的整流二極管編輯這些值。這些二極管可以是 Si 二極管或 SiC 二極管。由于這些二極管將在低頻率波形下工作，因此它們的損耗主要是導(dǎo)通損耗。這些器件中的損耗顯示在“器件概覽”表中。
▲ 圖 3：SpeedFit -“Simulation”（仿真）選項(xiàng)卡
“Summary”（總結(jié)）選項(xiàng)卡顯示損耗和波形的系統(tǒng)概覽。具體而言，對(duì)于 AC/DC 拓?fù)洌€包括整流二極管損耗和 LF MOSFET。
** #2 **
拓?fù)鋵?duì)比
為了便于說(shuō)明，本文比較了三種不同的 PFC 拓?fù)洹１竟?jié)包含有關(guān)這些拓?fù)涞闹匾f(shuō)明和觀察結(jié)果，重點(diǎn)介紹如何利用 SpeedFit 比較這些不同的拓?fù)洹?/p>
傳統(tǒng)升壓 PFC
▲ 圖 4：傳統(tǒng)升壓 PFC 拓?fù)?/strong>
傳統(tǒng)升壓拓?fù)溆捎扇ㄕ髌骱蜕龎鹤儞Q器組成。整流二極管中只流過(guò)工頻電流；因此，Si 整流二極管可以用于該整流級(jí)。因此，通過(guò)整流級(jí)的電流只會(huì)增加轉(zhuǎn)換器中的傳導(dǎo)損耗。因此，Vf 和 Ron 參數(shù)足以確定這些二極管中的損耗。從圖 6 中可以看出，整流二極管是損耗最大的器件，影響該拓?fù)涞恼w效率。因此，在評(píng)估拓?fù)湫蕰r(shí)，觀察系統(tǒng)所有組件中的損耗至關(guān)重要。由于傳統(tǒng)升壓 PFC 效率較低，因此適用于低功耗應(yīng)用。該拓?fù)溥m用于符合 80 Plus Silver 或 Gold 標(biāo)準(zhǔn)。
在 SpeedFit 中，用戶可以對(duì)整流二極管的正向壓降 Vf 和 導(dǎo)通電阻 Ron 進(jìn)行配置。圖 6 顯示的“器件概覽”表顯示了不同器件中損耗的分布，即 MOSFET、二極管（升壓級(jí)）和整流二極管（整流級(jí)）。
圖騰柱轉(zhuǎn)換器 – LF 二極管
▲ 圖 5：圖騰柱轉(zhuǎn)換器 – LF 二極管拓?fù)?/strong>
具有低頻率（LF）二極管的圖騰柱轉(zhuǎn)換器由兩個(gè)以開(kāi)關(guān)頻率運(yùn)行的 MOSFET 和兩個(gè)工作在工頻的二極管組成。用戶可以從“Device”（器件）選項(xiàng)卡中選擇 Wolfspeed MOSFET，還可以根據(jù)客戶所用的 Si 或 SiC 二極管的規(guī)格書(shū)配置仿真用的二極管的正向電壓 (Vf) 和 Ron（導(dǎo)通電阻）。這是一種開(kāi)關(guān)器件用量最少的低成本拓?fù)洹Ｓ捎跍p少了工頻整流橋，所以它相對(duì)于傳統(tǒng)升壓 PFC 拓?fù)湫实玫搅颂嵘捎诠ゎl整流器支路中的傳導(dǎo)損耗較高，其效率略低于具有 LF MOSFET 的圖騰柱轉(zhuǎn)換器。
▲ 圖 6：仿真概覽 - 傳統(tǒng)升壓轉(zhuǎn)換器
▲ 圖 7：仿真概覽 - 圖騰柱轉(zhuǎn)換器 - LF 二極管
▲ 圖 8：仿真概覽 - 圖騰柱轉(zhuǎn)換器 - LF MOSFET
圖騰柱轉(zhuǎn)換器 – LF MOSFET
▲ 圖 9：圖騰柱轉(zhuǎn)換器 – LF MOSFET 拓?fù)?/strong>
具有低頻率（LF）MOSFET 的圖騰柱轉(zhuǎn)換器采用兩個(gè)高頻率 MOSFET 和兩個(gè)低頻率（LF）MOSFET。該拓?fù)湮词褂萌魏握鞫O管。與整流二極管相比，LF MOSFET 中產(chǎn)生的導(dǎo)通損耗要低得多。因此，這是最高效的拓?fù)洹５牵@里需要更多的柵極驅(qū)動(dòng)器，會(huì)增加轉(zhuǎn)換器的尺寸和成本。
** #3 **
總結(jié)
表 3 總結(jié)了考慮的三種拓?fù)涞脑敿?xì)信息。表格中列出了所使用的器件，并對(duì)效率進(jìn)行了對(duì)比。
▲ 表 3：三種拓?fù)渲g進(jìn)行對(duì)比：傳統(tǒng)升壓轉(zhuǎn)換器、
圖騰柱轉(zhuǎn)換器 - LF 二極管、圖騰柱轉(zhuǎn)換器 - LF MOSFET
請(qǐng)注意：圖騰柱轉(zhuǎn)換器 – LF MOSFET 的參考設(shè)計(jì)中所注的峰值效率（>99%）包括輔助電源和轉(zhuǎn)換器其他組件中的損耗，而上述效率僅包括功率半導(dǎo)體器件中的損耗。
SpeedFit 仿真軟件 2.0 允許用戶進(jìn)行其應(yīng)用的不同拓?fù)浜驮O(shè)計(jì)的對(duì)比。用戶可以靈活選擇最優(yōu)的 SiC MOSFET 和 SiC 肖特基二極管，還可以配置低頻率 Si 二極管的規(guī)格，以幫助估計(jì)轉(zhuǎn)換器效率的實(shí)際值。“Simulation”（仿真）選項(xiàng)卡上的“系統(tǒng)”和“器件概覽”表（如圖 6 - 8 所示）總結(jié)了 HF MOSFET、LF MOSFET 和 SiC/Si 整流二極管等不同組件中的損耗，便于分別分析每個(gè)器件中的損耗并優(yōu)化設(shè)計(jì)。
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二極管
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變換器
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PFC
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SiC
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電源諧波
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