相較于基于硅（Si）或絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）之類的傳統技術，碳化硅（SiC）元件擁有明顯的優點，因此很多應用都能從運用 SiC 器件中獲益。但是使用 SiC 器件進行參數設計并不是一個很簡單的過程。無論是開發新產品還是升級此前的設計，最好在確定拓撲和器件選擇之前的早期設計階段對器件進行仿真和優化。

SpeedFit 設計仿真軟件是一款基于 PLECS 的在線系統級電路仿真軟件，旨在多個關鍵領域提供幫助，例如器件間比較和拓撲比較、并聯設計配置、熱管理，以及評估硬件性能（如半導體損耗和電感器/變壓器波形），以幫助適應特定的電路拓撲或芯片組。

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SpeedFit 開關和導通損耗建模

對于 SiC MOSFET 來說，可以分析三種典型的損耗源。首先是開啟時的損耗 (Eon)，其次是關斷時的損耗 (Eoff)，最后是“導通”時的導通損耗（表示為 Pconduction）。因此，總功率損耗可以表示為：

Ptotal = ((Eon + Eoff) × Fsw) + Pconduction

圖 1 顯示了柵極信號脈沖以及 Vds、Ids 和 Ploss 與信號在開關狀態下的關系。

▲ 圖 1：SiC MOSFET 開關和功率損耗波形

在導通狀態下，導通功率損耗取決于結溫（TJ）和漏極電流（ID）。查找表中保存了不同 VDS 與 ID 在不同溫度下的曲線，可通過插值法得到“導通”電壓。由于漏電流非常低，因此在關斷狀態下的功率損耗可以忽略。

開關損耗取決于 VDS、IDS、TJ 和外部柵極電阻（RG）。開關損耗三維查找表（作為 ID、關斷狀態下電壓以及溫度之間的函數），用來確定在每個開關事件下的 Eon 和 Eoff 值。之后根據所選定的外部柵極電阻（RG）對這些值進行調整。在測量器件整體平均總損耗時，一般的目標是計算在一個開關周期內的整體導通和開關能量損耗，然后在下一周期內輸出為平均功率脈沖。這可以使用探頭測量并觀察周期平均值（導通損耗）和周期性脈沖平均值（開關損耗）的模塊來實現，之后算出結果的平均值（見圖 2）。

▲ 圖 2：測定整體器件平均損耗的概念圖和實施方式

SpeedFit 能夠模擬電氣和熱特性，之后使用查找表來確定當前開關周期的損耗，并將其添加到熱電路（包括散熱器）中。對于電路來說，仿真將計算在開關上施加的電流和電壓，然后在每次開關事件之后將數據提供給損耗查找表。在熱域中，根據此前的周期和當前的周期損耗估算并更新 TJ。得出的結果 TJ 被反饋回查找表，進行下一周期。圖 3 顯示了這種模擬。

▲ 圖 3：SpeedFit 模擬電氣和熱模型

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如何運行設置和仿真

當使用 SpeedFit 開始應用仿真時，用戶需要選擇 Application（應用） 、 Input（輸入） 運行參數和拓撲、選擇 Device（器件） 、設定 Thermal（熱） 參數，運行 Simulation（仿真） ，然后打印 Summary（摘要） 報告。我們提供了用戶指南，其中包含每個拓撲的實用技巧和范圍限制。

在選擇 Application（應用） 時，可以選擇幾種轉換器類型（DC/DC、AC/DC 以及 DC/AC）。對于有源前端之后是 CLLC DC/DC 級這樣的多級轉換器，應該分別對每一級進行單獨仿真。

在 Input（輸入） 運行參數時（見圖 4），首先選擇需要的拓撲（若已知），或直接輸入輸入/輸出參數，查看匹配的電路。用戶看到的參數可能會根據所選的拓撲而改變，并且“基于諧振”的拓撲擁有能夠自動導入建議諧振器件值的按鈕，實現簡單的配置方式。

▲ 圖 4：SpeedFit 輸入運行參數和選擇拓撲窗口

在確定電壓和電流額定值后， Device（器件） 選項卡將顯示建議器件的簡短列表，同時提供所有可選器件的較長/完整列表（MOSFET、二極管、模塊）。在此過程中，用戶可以調整并聯器件的數量以及柵極電阻。此外，在 AC/DC 或 DC/AC 應用中使用分立式 MOSFET 時，可以為 MOSFET 并聯添加肖特基二極管，以減少開關過程中的損耗。

在設置 Thermal（熱） 參數時，將自動包含內部熱結電阻（Rth,JC）；然而，用戶需要輸入熱界面電阻 （Rth,ch）。界面電阻在每次開關時都會計算。含多個開關位置的功率模塊將根據模塊中開關的數量包含兩個、四個或六個以及更多的并聯 Rth,ch。熱阻值可以是變量或固定值，這取決于具體應用?？勺兩崞骺山閷χ車h境的熱阻抗（Tamb），并包含時間常數。若選擇固定散熱器選項，必須指定散熱器溫度。對于包含一次測和二次側 SiC 器件拓撲，需要為每側使用單獨（但相同）的散熱器。

Simulate（仿真） 選項卡會顯示用戶指定的拓撲、散熱器配置以及關鍵參數（見圖 5）。在仿真之前，電路中的無源元件參數可以根據設計來調整，以調整設計來匹配應用，并進一步優化結果。在仿真之后，將顯示波形和源極電壓、負載電壓、輸入電流、負載電流以及二極管 / MOSFET 電壓和電流。系統概述表會顯示功率、開關頻率、效率，而器件概述表會顯示示出損耗和估計的結溫。器件概述表中顯示的損耗是所有此類器件的損耗之和。例如，在圖 5 中，所有 4 個一次側 SiC MOSFET 的損耗之和為 54.54 W。

▲ 圖 5：SpeedFit 模擬頁面顯示拓撲、波形以及多個數字讀數

用戶可以運行相同拓撲的其它迭代，從而比較結果，優化設計。首先，用戶點擊仿真選項卡中的“hold result（保留結果）”按鈕，以保存此前的結果以供參考，之后輸入另一個的工作點，或評估替代的器件，然后重新仿真新條件。

最后， Summary（摘要） 選項卡提供多次仿真運行（叫作“變量”）的詳細結果，并顯示并排比較結果。同時 User Guide（用戶指南） 選項卡會提供每種拓撲的運行限制表，同時解釋每個選項卡中的參數。還會提供示例數據，可在不同的熱條件下使用，在熱阻抗還未確定的情況下，能夠為設計新系統提供良好的初次近似值。

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SpeedFit 應用示例

讓我們運行一個示例應用：45 kW 三相逆變器，采用風冷方式，供電為 800 V 母線供電，輸出 480 V，開關頻率為 10 kHz。目標是評估 Wolfspeed 的 WolfPACK SiC MOSFET 半橋模塊以及分立式 SiC MOSFET。

在本例中，在幾分鐘之內便輕松評估采用多種可能方案的四種選項（兩項分立式和兩項模塊式），所有的效率都 >99%。方案包含：

• 2 × C3M0016120K (16 mΩ TO-247-4)
• 2 × C3M0021120K (21 mΩ TO-247-4)
• CAB011M12FM3 (11 mΩ FM3 WolfPACK)
• CAB016M12FM3 (16 mΩ FM3 WolfPACK)

在衡量安裝尺寸、溫度裕量、功率密度/布局和成本等多種因素時，這些結果可為進行完整的系統架構評估提供參考意見。圖 6 顯示了仿真結果，并演示了比較包含分立式和模塊化 MOSFET 的不同方案是多么地快速和容易。

▲ 圖 6：45 kW 三相逆變器仿真結果示例

另一個示例是雙向 CLLC DC/DC 車載充電系統，運行功率為 22 kW（可用于電動汽車充電應用）。由于其將用于電動汽車，輸入電壓在 380 - 900 VDC 之間，而輸出應該在 480 - 800 VDC 之間。本示例測試了三種功率水平，以評估效率和結溫。三種輸出分別為 400 V、480 V 和 610 V，全都以 36 A 的輸出電流運行。所選的拓撲是全橋 CLLC 諧振轉換器，工作頻率在 135 - 250 kHz 之間。這里的計劃是運行仿真、查看結果，然后根據需要進行微調，從而優化設計?？梢栽趨⒖荚O計 CRD-22DD12N 中看到具體的示例。

首次在“Input（輸入）”選項卡（見圖 7）進行首次運行，用戶輸入輸入電壓、輸出電壓、輸出功率 Lm/Lr、Fsw 和 Fres。開始時建議 Fsw = Fres （190 kHz）。剩下的數值會自動填充。

▲ 圖 7：22 kW CLLC DC/DC 轉換器****在“Input（輸入）”

選項卡中的示例

在“Device（器件）”選項卡中，一次側和二次側均選擇 32 mΩ 1,200 V MOSFET，以達到最高效率。柵極電阻如果高于默認設定值，會導致開關損耗增加，但能夠在測試階段帶來設計靈活性。Rg 應根據電路實驗來確定，以達到期望的電壓過沖裕量以及電磁干擾性能。

對于熱性能，選擇隔離的液冷散熱器，能夠將散熱器溫度保持在 65 ?C。兩側均帶涂有導熱硅脂的高性能氮化鋁隔離器，能夠為 TO-247 解決方案提供良好的隔熱和低熱阻（用戶指南顯示為 0.6 K/W）。

在仿真過程中，首次運行的結果顯示輸出功率過低。根據 CLLC 轉換器的基本原則，較低的工作頻率會提升輸出電壓（和輸出功率），因此采用較低的開關頻率（降至 170 kHz）重新進行模擬。這能夠將輸出功率提升至可接受的值，并提供可用的方案（如圖 8 所示）。

▲ 圖 8：CLLC DC/DC 轉換器的第二次運行仿真結果示例

在本例中，用戶可以比較幾個額外工況點的運行結果：點擊“hold result（保留結果）”選項，之后返回“Input（輸入）”選項卡，然后輸入新數據。在重新仿真之后，必要時調整 Fsw，以微調所需的輸出，然后為剩余的工況點重復該流程。系統將生成摘要，其中包含每仿真結果，以便進行相鄰工況比較。該方法也可用于驗證在所有工作條件下的安全工作溫度。

▲ 圖 9

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結論

多種配置的仿真，并取得優化結果之后，設計人員可以顯著獲益。SpeedFit 是一款基于 PLECS 平臺的易用軟件，能夠取代頗費時間的人工數據表比較和計算。設計人員可以找到合適的 SiC MOSFET 和 SiC 二極管、在不同的工況點下評估性能（和損耗）、確定系統的熱要求、評估多種不同類型的拓撲并獲取波形以優化電容器和與電磁相關的設計，從而顯著獲益。