Быстрая разработка устройств на основе SiC с помощью симулятора SpeedFit 2.0 Design Simulator

Понимание особенностей работы карбидокремниевых (SiC) MOSFET и диодов Шоттки в источниках питания — необходимый фактор процесса проектирования. SiC-технология является относительно новой по сравнению с кремниевыми аналогами, и четкое представление возможностей карбидокремниевых компонентов может помочь разработчику в ее освоении.

Симулятор SpeedFit 2.0, основанный на широко используемой платформе моделирования PLECS, предлагает всесторонний выбор решений на основе заданных пользователем данных, начиная с желаемой топологии преобразователя. После ввода параметров системы можно виртуально протестировать и сравнить конфигурации компонентов и схем, оценить уровень потерь коммутации и проводимости, а также эффективность тепловой системы в изделиях, создаваемых на основе SiC.

Результатом является нахождение способа быстрого и эффективного использования силовых транзисторов на основе SiC.

Проектирование SiC-устройств с использованием платформы PLECS

Платформа PLECS, разработанная компанией Plexim, — это широко известный веб-симулятор (WBS), который может быть как автономным, так и интегрированным в Simulink. Стандартный интерфейс сценариев «C» позволяет осуществлять простое моделирование и моделирование динамических систем в виде уравнений, блок-схем или физических моделей в электрической, магнитной (индукторы и трансформаторы), механической и тепловой сфере.

Моделирование происходит с применением программы решения обычных дифференциальных уравнений (ODE) и моделей сосредоточенных элементов в соответствующей области. Инструменты анализа позволяют исследовать стационарный, переменный, импульсный отклик, а также проводить много­частотный анализ, предлагающий точные модели для силовых преобразователей. Из-за относительной новизны силовой технологии SiC по сравнению с Si получение точных электрических и тепловых моделей, содержащих распределенные элементы (паразитная индуктивность, индуктивность корпуса), может потребовать некоторых дополнительных этапов проектирования и анализа в большинстве распространенных платформ моделирования (LTSpice, PLECS и т. д.) [1].

Данный момент очень важен, поскольку паразитные элементы среди прочих факторов создают общую неопределенность применения SiC-компонентов, которая потенциально может задержать или иным образом помешать прогрессу этой технологии в широком спектре силовых применений. Однако уникальные физические свойства карбида кремния в качестве базового полупроводникового материала обеспечивают отличные характеристики ключей при высоких скоростях коммутации и уровнях напряжения, что, в свою очередь, позволяет проектировать более эффективные высоковольтные преобразователи с большой плотностью мощности. Это открывает возможности для создания устройств с уменьшенным размером, весом и потреблением мощности, таких как солнечные микроинверторы, твердотельные системы освещения, силовые преобразователи и даже эффективные силовые модули для электромобилей (EV).

Управление этими транзисторами, обеспечивающее минимизацию потерь проводимости и коммутации, является сложной задачей, если разработчик ранее не сталкивался с SiC-технологией. Проектирование силового преобразователя на основе SiC может быть выполнено с помощью SpeedFit 2.0 в веб-интерфейсе для быстрого расчета потерь и температуры кристаллов силовых приборов. Моделирование помогает сделать оптимальный выбор компонентов, сравнить производительность выбранных транзисторов и продемонстрировать, каким образом эта производительность зависит от параметров элементов системы, таких как сопротивление затвора (Rg) SiC MOSFET.

В частности, можно определить количество параллельных MOSFET-транзисторов приборов, необходимое для оптимальной работы преобразователя. Вместо того чтобы тратить время на изучение технических спецификаций и выполнение расчетов, разработчик, владеющий основными исходными параметрами и формами сигналов, может использовать SiC-технологию. На рис. 1 приведена пошаговая инструкция, которой руководствуется проектировщик в начале разработки устройства на основе SiC с использованием SpeedFit 2.0.

Рис. 1. SpeedFit 2.0 инициализирует проектирование на основе SiC, процесс включает выбор базовой топологии преобразователя/инвертора, ввод входных параметров, выбор прибора Wolfspeed и определение параметров системы охлаждения перед проведением основных вычислений и получением результатов стационарного моделирования

Процесс проектирования может быть продолжен с помощью файлов, содержащих информацию о потерях и тепловом импедансе для приборов Wolfspeed SiC, доступных на сайте Wolfspeed. Таким образом, пользователи платформы PLECS имеют возможность загрузить эти модели и получить к ним доступ, чтобы начать разработку, изготовление и тестирование устройства, результаты лабораторных исследований которого будут соответствовать итогам моделирования.

Автономный пакет PLECS также включает бесплатный деморежим, предлагающий множество готовых решений с SiC, доступных через веб-сайт Plexim, что предоставляет разработчикам возможность с «высоты птичьего полета» увидеть различные топологии преобразователей/инверторов, зарядных устройств и источников питания на основе SiC и их характеристики. Так, на рис. 2 приведен пример двойного активного мостового преобразователя (DAB), реализованного в демонстрационной модели PLECS с применением SiC MOSFET Wolfspeed C3M0030090K и C3M0065090D.

Рис. 2. Пример двойного активного мостового (DAB) SiC-конвертера (Источник: Plexim)

Использование SpeedFit 2.0 для инициации разработки на базе SiC

Ввод исходных данных

Проектирование SiC-устройства с применением SpeedFit 2.0 — простое и понятное, оно начинается с выбора типа преобразователя: DC/DC, AC/DC или DC/AC. Затем разработчику предлагается выбрать схему устройства на вкладке «Вход».

В таблице перечислены типы конвертеров и соответствующие схемы для выбора.

Как показано на рис. 3, разработчику предлагается ввести входные параметры для выбранной схемы, причем для каждой из них имеется определенный нижний и верхний предел [2]. Номиналы пассивных компонентов, таких как емкость и индуктивность, могут быть введены вручную или автоматически выбраны на основе рекомендуемых расчетов, выполняемых в интерфейсе.

Рис. 3. Входные параметры SpeedFit 2.0 для повышающего конвертера

Перечень входных параметров для всех типов преобразователей:

• входное напряжение (VDC);
• выходное напряжение (VDC);
• номинальная мощность (Вт);
• частота коммутации (кГц);
• частота коммутации (кГц) и «мертвое время» (нс);
• AC-частота (Гц);
• коэффициент мощности.

Выбор SiC-компонентов

После ввода пользовательских данных можно выбрать полупроводниковый прибор из списка рекомендуемых, коммерчески доступных компонентов Cree SiC (MOSFET, диоды, модули) и соответствующих им специ­фикаций на основе входных данных (например, блокирующее напряжение, средний ток, RMS-ток). Эта опция полезна для начинающих пользователей SiC, поскольку она обходит начальную навигацию по библиотеке потенциальных компонентов, тем самым упрощая реализацию схемы на основе SiC. Однако полный список компонентов по-прежнему доступен при выборе опции «Показать все имеющиеся». После выбора элемента появляется запрос на количество параллельных компонентов для данной конфигурации, а также на сопротивление затвора для режимов включения/выключения.

Определение параметров системы охлаждения

На этом этапе пользователю предлагается определить тип системы охлаждения и ее тепловые характеристики. Предполагается, что система включает все приборы, смонтированные на одном радиаторе, с возможностью установки на нем дополнительного источника тепла (например, вспомогательного конвертера). Пользователь определяет такие параметры, как сопротивление теплового интерфейса. Само тепловое моделирование может производиться при переменной температуре радиатора — при этом пользователь определяет тепловое сопротивление, постоянную времени радиатора, любые дополнительные источники тепла на радиаторе и температуру окружающей среды, — а также при фиксированной, заранее заданной температуре.

Моделирование

На вкладке «Моделирование» отображается окончательная модель системы с соответствующей конфигурацией радиатора и основными параметрами, заданными пользователем. Анализ стационарного состояния представляет несколько циклов входных/выходных напряжений и токов. Как показано на рис. 4, входное напряжение, номинальная выходная мощность, частота переключения и КПД системы отображаются в таблице System overview. В таблице Device overview представлены общие значения потерь переключения и проводимости, комбинированные и суммарные потери преобразователя, а также температура кристаллов MOSFET, диодов и модулей.

Рис. 4. Вкладка Simulation SpeedFit 2.0 с результатами моделирования. Они могут быть легко настроены путем изменения входных параметров, характеристик прибора и тепловых параметров

Сравнение/изменение результатов моделирования

Полученные осциллограммы можно сравнивать, изменять и корректировать, используя историю результатов (results history list), которая отслеживает каждый процесс моделирования. Таким образом, параметры системы, такие как начальные входные данные, характеристики компонентов и тепловые параметры, могут быть изменены и проанализированы, чтобы обеспечить непрерывный обзор начальных этапов проектирования.

Разработка устройств с SiC с помощью платформы PLECS

Программа SpeedFit 2.0 — мощный веб-инструмент для выбора и сравнения полупроводниковых приборов Wolfspeed SiC в основных топологиях схем. Пользователь может вводить актуальные параметры системы, соответствующие конкретному применению, и виртуально тестировать компоненты для оценки величины потерь и температуры компонентов в конкретном приложении. Это достигается с помощью широко используемого инструмента моделирования PLECS, позволяющего проектировщикам разрабатывать устройства с SiC с применением знакомой платформы. После выбора наиболее подходящих компонентов Wolfspeed инженеры получают доступ к моделям, отражающим потери прибора, и информацию о тепловом импедансе для автономной работы в PLECS, что еще больше ускоряет процесс проектирования.