Разработка преобразователей на основе карбид-кремниевых приборов с помощью симулятора SpeedFit 2.0

23 декабря 2021

управление питаниемуправление двигателемWolfspeedстатьядискретные полупроводникиMOSFETMotor DriveSiC MOSFET

Компания Wolfspeed разработала бесплатный онлайн симулятор SpeedFit 2.0, позволяющий разработчикам быстро и всесторонне оценить параметры основных процессов, происходящих в силовой части импульсных преобразователей электрической энергии, и сравнить между собой различные варианты реализации поставленного технического задания.

Четкое понимание процессов, происходящих при импульсном преобразовании электрической энергии, является обязательным условием для создания источников питания, отвечающих современным требованиям по уровню энергоэффективности и удельной мощности. Особенно актуальным этот вопрос становится при проектировании преобразователей на основе карбид-кремниевых приборов, ведь эта элементная база является относительно новой и пока еще вызывает недоверие у инженеров, привыкших использовать в своих проектах хорошо изученные кремниевые транзисторы и диоды. Поэтому наглядное представление электрических, энергетических и тепловых процессов, происходящих в силовой части импульсных преобразователей, может стать одним из ключевых факторов, способствующих росту популярности карбид-кремниевых технологий и повышению количества устройств, использующих эту элементную базу.

Понимая это, компания Wolfspeed разработала бесплатный онлайн симулятор SpeedFit 2.0 (полное название – SpeedFit 2.0 Design Simulator), позволяющий за считанные минуты не только всесторонне оценить параметры основных процессов, происходящих в силовой части импульсных преобразователей электрической энергии, но и сравнить между собой различные варианты реализации поставленного технического задания. Главной особенностью симулятора SpeedFit 2.0 является наличие обширной библиотеки моделей современных полупроводниковых приборов, в том числе и практически всех карбид-кремниевых транзисторов и диодов, производимых компанией Wolfspeed, что делает его одним из основных инструментов для разработки преобразователей, отвечающих современным стандартам.

Особенности проектирования преобразователей на платформе PLECS

Симулятор SpeedFit 2.0 реализован на платформе PLECS (Piecewise Linear Electrical Circuit Simulation), разработанной компанией Plexim специально для расчета и моделирования импульсных преобразователей электрической энергии. Ключевой особенностью этой платформы является использование кусочно-линейного принципа моделирования, согласно которому сложные нелинейные системы заменяются эквивалентными функциональными моделями с конечным набором состояний, описываемых обыкновенными дифференциальными уравнениями (Ordinary Differential Equations). Такой подход позволяет значительно ускорить расчет переходных процессов, возникающих при коммутации силовых ключей, без значительного ущерба для точности моделирования. Несмотря на то, что платформа PLECS изначально разрабатывалась для расчета импульсных преобразователей, с ее помощью можно моделировать электрические, магнитные, тепловые и механические процессы, происходящие в достаточно большом количестве быстроменяющихся систем.

Существует два варианта платформы PLECS: PLECS Blockset, предназначенный для интеграции с программным пакетом MATLAB/Simulink, и PLECS Standalone, являющийся независимым программным продуктом. В обоих вариантах ключевыми элементами PLECS являются решатель дифференциальных уравнений и наборы математических моделей с сосредоточенными параметрами, специализированные под конкретную задачу. С помощью программных инструментов PLECS можно с высокой точностью рассчитать поведение исследуемой схемы как в установившемся режиме, так и при переходных процессах, в том числе и определить ее реакцию на воздействие одиночных импульсов и сложных сигналов, содержащих несколько частот.

По сравнению со своими кремниевыми аналогами, карбид-кремниевые транзисторы и диоды имеют более высокую скорость переключения. Из-за этого при проектировании преобразователей на данной элементной базе следует особое внимание уделять влиянию паразитных параметров, например, индуктивности выводов корпуса. Игнорирование нежелательных элементов и связей может привести к замедлению скорости переключения транзисторов, а также к появлению перенапряжений, ложных включений и других явлений, ухудшающих характеристики преобразователя. Поэтому математические модели для карбид-кремниевых приборов обычно более детализированы, а проектирование преобразователей на карбид-кремниевой основе имеет несколько дополнительных ограничений и этапов [1].

Однако, несмотря на повышенную сложность проектирования, уникальные свойства карбида кремния позволяют создавать источники питания с характеристиками, недостижимыми при использовании традиционных кремниевых транзисторов и диодов. Наибольший выигрыш от использования этого полупроводникового материала наблюдается в высоковольтных приложениях, поскольку из-за малой ширины запрещенной зоны параметры кремниевых приборов в области высоких напряжений значительно хуже, чем у приборов на основе карбида кремния. Переход на карбид-кремниевую платформу позволяет вывести высоковольтные преобразователи напряжения на совершенно новый уровень, и создавать источники питания с КПД и удельной мощностью, недостижимыми при использовании полупроводниковых элементов, изготовленных по другим технологиям. На сегодняшний день карбид-кремниевые транзисторы и диоды являются идеальной основой для создания инверторов солнечных электростанций, драйверов светодиодного освещения, систем сбора и хранения энергии, зарядных устройств электромобилей, источников питания для серверов дата-центров и множества других высоковольтных приложений, где высокая удельная мощность и малые потери являются одними из ключевых требований.

Основным назначением симулятора SpeedFit 2.0 является эскизное (черновое) проектирование силовой части импульсных преобразователей электрической энергии. Это программное обеспечение обычно используется на начальных этапах проекта, когда требуется определиться с ключевыми элементами будущего устройства: типом схемы, параметрами основных силовых компонентов (дросселями, трансформаторами, конденсаторами и т.п.), а также моделями силовых ключей.

Основной проблемой, возникающей на этой стадии, является сложная и неоднозначная зависимость главных параметров устройства, таких как КПД или удельная мощность, от большого количества величин, например, рабочей частоты или сопротивлений в цепи затворов полевых транзисторов. Из-за этого инженерам, особенно не имевшим до этого опыта в проектировании подобных приложений, обычно достаточно сложно принять оптимальное решение на данном этапе.

Для уменьшения времени и затрат на сборку реальных устройств, подобные схемы обычно моделируют. Однако использование для этого симуляторов общего назначения, таких как LTSpice или PLECS (в данном случае – базовой полнофункциональной версии) может потребовать достаточно много времени, например, из-за необходимости самостоятельного проведения целого комплекса расчетов (электрических, тепловых и т.п.) с последующей интеграцией их результатов. Не следует также забывать, что при использовании симуляторов общего назначения инженерам приходится самостоятельно подбирать полупроводниковые приборы, выбор которых на данном этапе не всегда очевиден, а существующие базы полупроводниковых приборов очень быстро устаревают. Все это приводит к тому, что при использовании неспециализированных инструментов вероятность принятия неоптимального решения значительно увеличивается.

Использование симулятора SpeedFit 2.0 позволяет значительно сократить продолжительность эскизного проектирования с одновременным увеличением вероятности принятия наиболее оптимального решения на данном этапе, особенно при расчете преобразователей на основе карбид-кремниевых приборов. Весь процесс работы с этим программным обеспечением состоит из шести интуитивно понятных шагов (рисунок 1), на каждом из которых необходимо лишь установить нужные параметры.

Рис. 1. Шесть шагов использования SpeedFit 2.0: выбор типа преобразователя, выбор схемы, выбор силовых ключей, выбор системы охлаждения, моделирование и сохранение результатов

Рис. 1. Шесть шагов использования SpeedFit 2.0: выбор типа преобразователя, выбор схемы, выбор силовых ключей, выбор системы охлаждения, моделирование и сохранение результатов

Ключевым преимуществом симулятора SpeedFit 2.0 является максимальная помощь пользователю, проявляющаяся, в первую очередь, в ограничении количества возможных вариантов. Например, на этапе выбора схемы пользователю предлагаются лишь те варианты, которые лучше всего использовать для данного приложения, а на этапе выбора силовых ключей – лишь те приборы, которые подходят по уровню напряжения и тока, в том числе – с учетом возможности их параллельного включения. Таким образом, при использовании SpeedFit 2.0 инженеру нет необходимости в самостоятельном анализе огромного объема технической документации и поддержании ее в актуальном состоянии – эту работу за него выполняют специалисты Wolfspeed, которые постоянно обновляют список доступных приборов, добавляя в него новые модели и удаляя транзисторы и диоды, не рекомендуемые для новых разработок.

Результатом расчета SpeedFit 2.0 являются ключевые параметры будущего устройства, например, температура корпусов силовых транзисторов или мощность динамических потерь, возникающая при их переключении. Моделирование электрических процессов позволяет также оценить приблизительную форму напряжений и токов в силовой части схемы. Поскольку весь расчет занимает несколько секунд, на этом этапе можно быстро проработать несколько вариантов реализации преобразователя и выбрать тот, который наилучшим образом подходит для данного технического задания. После этого можно приступать к детальной проработке силовой части, например, с помощью стандартных симуляторов платформы PLECS и более точных моделей выбранных транзисторов и диодов, доступных на сайте Wolfspeed.

Следует отметить, что полнофункциональная версия PLECS (PLECS Standalone) имеет бесплатный инструмент, позволяющий изучать существующие проекты, доступные на сайте компании Plexim. Это позволяет инженерам оценить «с высоты птичьего полета» достаточно большое количество вариантов преобразователей инверторов, зарядных устройств, в том числе на основе карбид-кремниевых приборов, которые могут быть как опорными (рекомендуемыми производителями электронных компонентов в качестве основы), так и созданными другими пользователями этой платформы. Примером такого проекта является опорный проект преобразователя постоянного напряжения для зарядных устройств электромобилей, реализованный на карбид-кремниевых транзисторах C3M0030090K и C3M0065090D производства компании Wolfspeed (рисунок 2).

Рис. 2. Пример опорного проекта преобразователя постоянного напряжения для зарядных устройств автомобилей, реализованного на платформе PLECS

Рис. 2. Пример опорного проекта преобразователя постоянного напряжения для зарядных устройств автомобилей, реализованного на платформе PLECS

Порядок работы с симулятором SpeedFit 2.0

На первом этапе работы с симулятором SpeedFit 2.0 (вкладка «Application») необходимо определиться с типом будущего преобразователя. В данном случае пользователю нужно выбрать всего один из трех вариантов:

  • DC/DC (преобразователь постоянного напряжения);
  • AC/DC (выпрямитель);
  • DC/AC (инвертор).

После этого можно переходить на следующий этап расчета (вкладка «Input»), где необходимо выбрать схему силовой части (таблица 1), и первичные (исходные) данные, необходимые для расчета.

Полный список исходных данных зависит от конкретной схемы [2]. Чаще всего, для обозначения того или иного параметра достаточно одного числа, однако в некоторых случаях это значение необходимо указать в виде диапазона. Параметры пассивных компонентов, например, емкость фильтрующих конденсаторов или индуктивность накопительных дросселей, могут выбираться автоматически, вводиться пользователем напрямую или выбираться пользователем из некоторого диапазона, полученного в процессе расчета. Чаще всего на вкладке «Input» нужно указать (рисунок 3):

  • входное напряжение;
  • выходное напряжение;
  • номинальную выходную мощность;
  • частоту переключений;
  • длительность мертвого времени;
  • частоту входного (для выпрямителей) или выходного (для инверторов) напряжения;
  • коэффициент мощности.

Таблица 1. Список схем, доступных для моделирования в симуляторе SpeedFit 2.0

Тип преобразователя Доступные схемы
Преобразователи постоянного напряжения (DC/DC)
  • Понижающий (Buck)
  • Повышающий (Boost)
  • Инвертирующий (Buck-Boost)
  • Трехуровневый повышающий (3-Level Boost)
  • Двунаправленная CLLC-схема (Bi-Directional CLLC)
  • Мостовой с фазовым управлением (Phase Shift Full Bridge)
  • Резонансная LLC-схема (LLC Resonant Converter)
Выпрямители (AC/DC)
  • Однофазный с двухуровневым ККМ (One Phase 2-Level AFE)
  • Однофазный с трехуровневым ККМ и фиксированной нейтралью (One Phase 3-Level NPC AFE)
  • Однофазный безмостовой ККМ (на основе «тотемного» столба) (Totempole Converter)
  • Однофазный безмостовой ККМ с двумя дросселями (Bridgeless PFС Boost Rectifier)
  • Трехфазный с двухуровневым ККМ (Three Phase 2-Level AFE)
  • Трехфазный с трехуровневым ККМ и фиксированной нейтралью (Three Phase 3-Level NPC AFE)
  • Трехфазный с трехуровневым ККМ Т-типа (Three Phase 3-Level T-Type AFE)
  • «Венский» вариант трехфазного выпрямителя (Three Phase Vienna Rectifier)
Инверторы (DC/AC)
  • Однофазный двухуровневый (One Phase 2-Level Inverter)
  • Однофазный трехуровневый с фиксированной нейтралью (One Phase 3-Level NPC Inverter)
  • Трехфазный двухуровневый (Three Phase 2-Level Inverter)
  • Трехфазный трехуровневый с фиксированной нейтралью (Three Phase 3-Level NPC Inverter)
  • Трехфазный трехуровневый Т-типа (Three Phase 3-Level T-Type Inverter)

Рис. 3. Пример вкладки «Input» с исходными данными для расчета повышающего преобразователя постоянного напряжения

Рис. 3. Пример вкладки «Input» с исходными данными для расчета повышающего преобразователя постоянного напряжения

После ввода исходных данных происходит переход на вкладку «Device», где нужно выбрать транзисторы и диоды, которые будут использоваться в качестве силовых ключей. К этому моменту на основе введенных данных уже известны ключевые требования, предъявляемые к этим приборам (напряжение пробоя, максимально допустимый ток и т.п.), что позволяет симулятору SpeedFit подобрать полупроводниковые приборы, максимально подходящие для проекта. Это позволит инженеру, даже хорошо знакомому с номенклатурой современных полупроводниковых компонентов, значительно сократить предварительный этап анализа больших справочников, тем более, что каждый прибор, отображаемый на этой вкладке, обычно имеет ссылку на страницу с соответствующей технической документацией.

Очевидно, что если карбид-кремниевые транзисторы и диоды, производимые компанией Wolfspeed, обеспечат более высокие технические параметры будущего преобразователя (что бывает практически всегда), то они окажутся в первых строчках таблиц рекомендуемых приборов. Однако список доступных транзисторов и диодов не ограничивается только карбид-кремниевыми компонентами – после установки отметки в поле «Показать все доступные…» («Show all available…») в данных таблицах будут выведены все приборы, имеющиеся в базах данных симулятора SpeedFit, параметры которых позволяют использовать их в этой части схемы. После выбора нужного элемента сразу же появятся дополнительные поля ввода, в которых необходимо будет выбрать количество параллельно используемых приборов, а также сопротивления резисторов в цепи заряда и разряда емкости затвора (для управляемых полупроводниковых приборов).

После этого можно переходить к следующему этапу (вкладка «Thermal»), на котором пользователю нужно будет выбрать условия охлаждения системы. В симуляторе  SpeedFit 2.0 предполагается, что система охлаждения состоит из одного общего радиатора, на котором, кроме элементов преобразователя, могут находиться и другие источники тепла (Additional Heat Source), например, вспомогательные источники питания. Расчет возможен для двух вариантов  – с постоянной и переменной температурой поверхности радиатора. В первом варианте пользователю достаточно указать лишь тепловое сопротивление термоинтерфейса между радиатором и полупроводниковыми приборами (модулями) и температуру поверхности радиатора. Во втором случае следует еще выбрать несколько дополнительных параметров, в числе которых – тепловое сопротивление «радиатор-окружающая среда», тепловая постоянная радиатора, температура окружающей среды и мощность дополнительных источников тепла, установленных на радиаторе.

На этом ввод исходных данных заканчивается и пользователь, перейдя на вкладку «Simulation», может приступить к анализу результатов расчета. Для их формирования необходимо нажать на кнопку «Моделировать» («Simulate») и подождать некоторое время. Все результаты расчетов группируются в две таблицы: «Обзор системы» («System Overview») и «Обзор устройства» («Device Overview»). В таблице «Обзор системы» приведены общие параметры системы, такие как входное и выходное напряжение, частота переключений, а в таблице «Обзор устройства» уже приводятся значения, относящиеся непосредственно к элементам преобразователя: мощность статических и динамических потерь, температуры кристаллов всех транзисторов и диодов и многие другие.

Диаграммы электрических процессов, происходящих в силовой части, рассчитываются, исходя из условия, что схема работает в квазиустановившемся режиме – когда все переходные процессы в цепи первичного источника питания и нагрузки закончились. Для преобразователей постоянного напряжения обычно моделируется несколько циклов преобразования, а для выпрямителей и инверторов – несколько циклов, соответственно, входного и выходного переменного напряжений. Диаграммы электрических процессов выводятся в соответствующих областях вкладки «Simulation».

На вкладке «Simulation» имеется также возможность сохранения текущих результатов расчета, для чего необходимо нажать на кнопку «Hold Result». После этого расчет можно повторить с другими исходными данными, например, с другой индуктивностью или частотой преобразования. Это позволяет сравнивать несколько вариантов будущего устройства и, соответственно, выбирать тот, который наилучшим образом удовлетворяет техническому заданию.

Рис. 4. Вкладка «Simulation» с результатами расчета преобразователя

Рис. 4. Вкладка «Simulation» с результатами расчета преобразователя

Полный перечень рассчитанных параметров доступен в табличном виде на вкладке «Summary». Этот перечень содержит все варианты расчета преобразователя, что позволяет оперативно сравнивать их между собой по выбранному критерию. При необходимости эту таблицу можно распечатать или вернуться на любой из предыдущих этапов расчета.

Заключение

Несмотря на то, что симулятор SpeedFit 2.0 не является полноценной средой для автоматизированного проектирования импульсных преобразователей электрической энергии, он может стать незаменимым инструментом на начальных этапах разработки, когда требуется быстро проанализировать огромное количество различных вариантов реализации той или иной схемы с целью поиска наиболее оптимального решения. Ключевым преимуществом этого программного обеспечения является наличие всегда актуальных баз данных полупроводниковых транзисторов и диодов, в том числе и на основе карбида-кремния, а также автоматизированный подбор наиболее подходящих приборов, что значительно ускоряет процесс разработки. Таким образом, симулятор SpeedFit 2.0 может заслужено войти в список программного обеспечения, без которого создание современных преобразователей с высоким значением КПД и удельной мощностью крайне затруднено.

Список источников

  1. https://www.arrow.com/en/research-and-events/articles/modeling-common-topologies-with-wolfspeed-silicon-carbide-mosfets
  2. https://wbs.plexim.com/cree/speedfit_user_manual.pdf

Перевел Александр Русу по заказу АО Компэл

•••

Наши информационные каналы

О компании WOLFSPEED

Компания Wolfspeed является мировым лидером в производстве полупроводниковых кристаллов из карбида кремния (SiC) и приборов на их основе. Полевые транзисторы, диоды и другие полупроводниковые приборы на основе карбида кремния обладают рядом преимуществ по сравнению с аналогичными кремниевыми приборами. Среди них – рабочая температура кристалла до 600°С, высокое быстродействие, радиационная стойкость. В настоящее время Wolfspeed производит высоковольтные SiC диоды, SiC MOSFET, SiC силовые моду ...читать далее

Товары
Наименование