PLECS?和SPICE軟件模擬工具描述

選擇合適的 Wolfspeed 設(shè)計(jì)工具

電力電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的工程問題。傳統(tǒng)上，克服相關(guān)挑戰(zhàn)需要主題專家進(jìn)行耗時(shí)的分析。幸運(yùn)的是，工程師們可選擇各種現(xiàn)代工具，顯著加快設(shè)計(jì)過程并優(yōu)化結(jié)果。這些工具涵蓋軟件模擬工具（如 PLECS 和 SPICE）和基于測(cè)量的方法（如動(dòng)態(tài)性能表征）。每種分析方法都有其自身的優(yōu)勢(shì)和局限性，適合解決特定的設(shè)計(jì)問題。本文將對(duì)此進(jìn)行描述。

PLECS 是一款專為電力電子系統(tǒng)模擬開發(fā)的模擬工具，有助于工程師設(shè)計(jì)控制方案、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和熱系統(tǒng)。該工具涵蓋多個(gè)物理學(xué)領(lǐng)域，可簡(jiǎn)化對(duì)系統(tǒng)機(jī)械、熱或磁性元件的分析。PLECS 采用理想的晶體管開關(guān)模型，可動(dòng)態(tài)選擇晶體管電阻瞬時(shí)變化前后的積分時(shí)間步長(zhǎng)。

對(duì)于開關(guān)電路應(yīng)用，該分析方法使 PLECS 相對(duì)于傳統(tǒng)電路級(jí)模擬具有巨大的速度優(yōu)勢(shì)。由于電氣元件被理想化，因此采用分析方式對(duì)功率損耗進(jìn)行描述（通過查找表或函數(shù)），以匹配實(shí)驗(yàn)結(jié)果。Wolfspeed 的 PLECS 模型根據(jù)數(shù)據(jù)表信息構(gòu)建，如圖 1 所示。一般而言，PLECS 對(duì)于控制設(shè)計(jì)、器件選擇、預(yù)測(cè)系統(tǒng)損耗、預(yù)測(cè)器件結(jié)溫和熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)非常有用。

除了提供可供下載的完整 PLECS 模型組合，Wolfspeed 還免費(fèi)提供針對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題開發(fā)的在線評(píng)估工具 SpeedFit。

▲ 圖 1：PLECS 模型根據(jù)數(shù)據(jù)表數(shù)據(jù)構(gòu)建

雖然 PLECS 是一款強(qiáng)大的模擬工具，但它也有局限性。例如，PLECS 中的晶體管模型使用數(shù)據(jù)表開發(fā)，因此所考慮的開關(guān)能量對(duì)于低電感系統(tǒng)來說是典型值。同樣，導(dǎo)通損耗和熱模型使用典型的數(shù)據(jù)表值。因此，留出設(shè)計(jì)余量始終至關(guān)重要，因?yàn)檫吔缜樾稳毕萜骷慕Y(jié)溫比 PLECS 預(yù)測(cè)的標(biāo)稱 TJ 更高（因損耗和熱阻抗更高所致）。

一般來說，應(yīng)使用壽命模型設(shè)計(jì)最高每循環(huán)溫度 δ，因?yàn)樵试S TFLUID 和 TJ,MAX 之間的擺幅可能無法保證獲得預(yù)期的系統(tǒng)運(yùn)行壽命。此外，還應(yīng)謹(jǐn)慎考量系統(tǒng)模型中的電信號(hào)。雖然低頻特性（如紋波電壓、輸出電流和功率因數(shù)）可被精確模擬，但在 PLECS 中無法預(yù)測(cè)由器件開關(guān)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)特性。因此，器件邊緣速率和電壓過沖等參數(shù)未被模擬捕捉，而且對(duì)寄生元件建模也沒有意義，因?yàn)樵诮?jīng)簡(jiǎn)化的電模擬中寄生元件所作的貢獻(xiàn)無關(guān)緊要。

為了演示理想化的開關(guān)和低頻電路動(dòng)態(tài)特性，圖 2 示出了 PLECS 中的降壓型轉(zhuǎn)換器模擬。低側(cè)開關(guān)電壓示出硬開關(guān)行為被簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)易方波；壓擺率、過沖、上升/下降時(shí)間和其他動(dòng)態(tài)特性未被模擬。然而，從輸出電壓波形可以看出，電氣域波形仍然有用，因?yàn)樵S多參數(shù)（如輸出紋波）仍可被模擬，而無需精確的開關(guān)動(dòng)態(tài)特性。一般而言，由電力電子器件和濾波器無源器件決定的低頻現(xiàn)象將在 PLECS 中被正確模擬。

▲ 圖 2：PLECS 模型可捕捉低頻動(dòng)態(tài)特性，

但無法捕捉開關(guān)動(dòng)態(tài)特性

不同于 PLECS，電路級(jí)模擬器（如 SPICE）試圖預(yù)測(cè)詳細(xì)的開關(guān)瞬態(tài)事件，使得它們能夠模擬許多在 PLECS 中被忽略的電氣動(dòng)態(tài)特性。對(duì)于需要器件瞬態(tài)變化的研究來說，電路級(jí)模擬應(yīng)是首選工具。一些可能的示例包括動(dòng)態(tài)均流、蒙特卡羅分析或電磁兼容性（EMC）分析。遺憾的是，如果模型復(fù)雜性增加，還會(huì)對(duì)模擬速度產(chǎn)生重大不利影響。

對(duì)于轉(zhuǎn)換器模擬而言，必須按所模擬的秒來計(jì)算數(shù)千個(gè)此類動(dòng)態(tài)事件，這使得此類模型的模擬速度很慢，對(duì)控制或熱設(shè)計(jì)并不實(shí)用。此外，當(dāng)模擬瞬態(tài)事件時(shí)，不應(yīng)假設(shè)開關(guān)事件被精確預(yù)測(cè)，因?yàn)橐_預(yù)測(cè)開關(guān)事件，需要晶體管、電路寄生元件和柵極驅(qū)動(dòng)的精確模型。因此，不建議使用 Wolfspeed 提供的 SPICE 模型進(jìn)行“動(dòng)態(tài)評(píng)估”。

作為應(yīng)用實(shí)例，圖 3 示出了箝位電感負(fù)載電路的 SPICE 模擬示例（類似于 Wolfspeed 的評(píng)估套件）。掃描總線電感會(huì)引起過沖電壓、振鈴頻率和阻尼比發(fā)生很大變化。具體而言，總線電感變化 9 nH 會(huì)導(dǎo)致 200 V 的過沖預(yù)測(cè)差值。改變柵極驅(qū)動(dòng)模型也會(huì)產(chǎn)生類似影響，改變晶體管模型則會(huì)產(chǎn)生更大差異。因此，使用 SPICE 模型來預(yù)測(cè)詳細(xì)的器件動(dòng)態(tài)特性可能極具挑戰(zhàn)性和誤導(dǎo)性。

▲ 圖 3：在 SPICE 中預(yù)測(cè)的晶體管動(dòng)態(tài)特性

依賴于系統(tǒng)寄生效應(yīng)

如果需要數(shù)據(jù)表中提供的信息之外的動(dòng)態(tài)特性，請(qǐng)考慮使用測(cè)量而非 SPICE。雖然獲得精確的器件測(cè)量值成本高昂且過程復(fù)雜，但 Wolfspeed 為其所有產(chǎn)品都提供了動(dòng)態(tài)特性評(píng)估套件，其中一些可通過 Arrow Testdrive 程序借用。這些動(dòng)態(tài)特性評(píng)估套件可簡(jiǎn)化測(cè)量過程，這得益于它們具有低寄生電感和高質(zhì)量計(jì)量（對(duì)于原型設(shè)計(jì)階段測(cè)量開關(guān)信號(hào)而言，這通常是一個(gè)需要突破的主要事項(xiàng)）。

這些評(píng)估套件非常適合測(cè)量時(shí)序（TDelay-On、TDelay-Off、TRise、TFall）、過沖（VDS-Max、ID-Max）、開關(guān)速度（di/dt、dv/dt）和開關(guān)能量（EON、EOFF、ERR），但執(zhí)行此類測(cè)量需要高帶寬示波器和探頭（至少 100 MHz/s）。高側(cè)柵極或漏極電壓的表征同樣需要具有高壓隔離的差分探頭。最后，評(píng)估套件包含可用于測(cè)量器件電流的電流查看電阻器 (CVR)。為了重點(diǎn)突出評(píng)估套件的功能，圖 4 示出了利用 Wolfspeed CIL 評(píng)估套件進(jìn)行的柵極電阻掃描。

▲ 圖 4：可利用 CIL 評(píng)估套件分析整個(gè) RG 值的

MOSFET 動(dòng)態(tài)特性

這三種方法在電力電子設(shè)計(jì)過程中均有應(yīng)用，每種方法都應(yīng)在設(shè)計(jì)過程中加以適當(dāng)利用。

▲ 圖 5：推薦的工作流程

審核編輯：劉清