電力電子產(chǎn)品在日常生活的許多領(lǐng)域都在市場(chǎng)上迅速擴(kuò)張。由于這種材料在速度、效率和耐高溫性方面的出色性能，越來(lái)越多的電力電子設(shè)備使用SiC 半導(dǎo)體制造。電源設(shè)計(jì)人員大量使用此類組件，為了更好地完成這項(xiàng)任務(wù)，Microchip Technology 推出了 MPLAB SiC 電源模擬器，它允許用戶在實(shí)施硬件設(shè)計(jì)之前快速評(píng)估和模擬其 SiC 功率器件和模塊。本文將展示一些使用和優(yōu)化該平臺(tái)的策略。

MPLAB 碳化硅功率仿真器

它是與 Plexim 合作設(shè)計(jì)的基于 PLECS 的 Web 軟件環(huán)境，提供的在線工具，無(wú)需購(gòu)買模擬許可證。該模擬器允許對(duì)基于 SiC 的電源設(shè)計(jì)的各種拓?fù)溥M(jìn)行自信的評(píng)估。它使設(shè)計(jì)人員能夠從 Microchip 廣泛的產(chǎn)品組合中選擇合適的 SiC 組件，從而縮短上市時(shí)間。例如，設(shè)計(jì)人員可以測(cè)試 SiC MOSFET 的不同 Rds(ON) 值，以立即獲得功耗、溫度和電流方面的仿真結(jié)果，就像在現(xiàn)實(shí)中一樣。訪問(wèn)該地址即可使用通過(guò)您的 Web 瀏覽器。因此，借助此平臺(tái)，您可以對(duì)轉(zhuǎn)換器中使用的 SiC 器件進(jìn)行仿真。有了它，可以計(jì)算 SiC 器件的功率損耗和結(jié)溫估計(jì)值，從而快速評(píng)估電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的性能。該平臺(tái)使用常見的電源轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（包括直流-交流、交流-直流和直流-直流）的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)執(zhí)行計(jì)算并返回結(jié)果。該工具對(duì)于遵循下面列出的功能特別有用：

• 選擇一個(gè)設(shè)備并觀察合適的配置；
• 評(píng)估不同柵極電阻的影響；
• 比較不同設(shè)備在不同操作條件下的功率損耗和熱性能；
• 采集信號(hào)波形。

我們現(xiàn)在將通過(guò)各個(gè)步驟來(lái)分析在電源電路中使用的組件。要選擇組件，需要考慮幾個(gè)參數(shù)，例如工作電壓和電流、開關(guān)特性、散熱特性、與電路中其他組件的兼容性、成本以及組件在市場(chǎng)上的可用性。此外，考慮電源電路的應(yīng)用類型也很重要，例如電動(dòng)汽車、工業(yè)自動(dòng)化或可再生能源。例如，如果您正在為電動(dòng)汽車電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)電源電路，則應(yīng)選擇效率高且能夠處理高電流和高電壓的元件。考慮適用于電源電路設(shè)計(jì)的法規(guī)和安全標(biāo)準(zhǔn)也很重要。

MPLAB SiC 模擬器上的拓?fù)溥x擇

該平臺(tái)的頁(yè)旨在詢問(wèn)用戶電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是什么，如中突出顯示的那樣。目前，該軟件提供以下類別的選擇：

• 交直流
  • 圖騰柱無(wú)橋 PFC 轉(zhuǎn)換器（1/2/3 相）
  • 有源前端（三相）
  • 維也納整流器（3相）
• 直流-直流
  • 反激式轉(zhuǎn)換器
  • 具有同步整流的升壓轉(zhuǎn)換器
  • 全橋 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器
  • 相移全橋轉(zhuǎn)換器
• 直流-交流
  • 逆變器（3相2電平）

對(duì)于每個(gè)選擇，同一頁(yè)面動(dòng)態(tài)顯示原理電路圖，如所示。要訪問(wèn)下一頁(yè)，只需按右側(cè)描繪箭頭的圖標(biāo)即可。在示例中，假設(shè)用戶選擇了具有同步整流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的 DC-DC 升壓轉(zhuǎn)換器。

設(shè)備選擇

Web 應(yīng)用程序的第二頁(yè)允許用戶選擇要制作的電路和要使用的設(shè)備的一些電氣參數(shù)（參見圖 3 中的屏幕截圖）。用戶必須在表單中輸入的數(shù)據(jù)如下：

• 輸入電壓（Vin）。目前，該值必須小于或等于 1200 V；
• 輸出電壓（Vout）。目前，該值必須小于或等于 1700 V，并且在任何情況下都必須大于 Vin；
• 額定功率（噘嘴）。此值必須小于或等于 300000 W；
• 交錯(cuò)相位數(shù)。對(duì)于這個(gè)特性，系統(tǒng)提出了一個(gè)下拉列表，其值為 1、2、3 和 4；
• 每條線的組件類型，可從下拉列表中選擇，選項(xiàng)包括“SiC MOSFET”、“SiC 相腿模塊”和“SiC MOSFET 和同步二極管”。

下一個(gè)選項(xiàng)允許用戶從廣泛的列表中選擇他們的設(shè)備型號(hào)，其中包含設(shè)備的主要特性，并允許查看相關(guān)數(shù)據(jù)表，這是一個(gè)極其重要的方面。使用通常指向右側(cè)的箭頭圖標(biāo)，用戶可以轉(zhuǎn)到下一個(gè)屏幕。

細(xì)節(jié)

下一個(gè)屏幕用于建議所選設(shè)備模型的摘要（參見圖 4），并可能指定以下附加信息：

• 并聯(lián)設(shè)備的數(shù)量；
• 柵極電阻；
• 關(guān)斷柵極電阻；
• 選擇標(biāo)稱或 Rds(ON) 的能力。

在此頁(yè)面上，用戶仍然可以通過(guò)單擊圖標(biāo)來(lái)查看所選組件的數(shù)據(jù)表。同樣，通常的箭頭圖標(biāo)指向右側(cè)，用戶可以轉(zhuǎn)到下一個(gè)屏幕。

電路

平臺(tái)的這一部分允許您配置與電路相關(guān)的一些動(dòng)態(tài)參數(shù)。它們?nèi)缦拢?/p>

• 每相電感L（mH）；
• 負(fù)載電容C（uF）；
• 開關(guān)頻率 Fsw (kHz)；
• 死區(qū)時(shí)間 tdead (nS)。

可以看出，這些是影響電路動(dòng)態(tài)操作的重要參數(shù)，因?yàn)榇嬖陔姼?、電容?a target="_blank">開關(guān)元件。

冷卻

本節(jié)介紹與系統(tǒng)散熱模式相關(guān)的參數(shù)，用戶可以輸入以下信息：

• MOSFET熱界面（油脂）電阻Rth,ch (K/W)；
• 同步 MOSFET 熱界面（油脂）電阻 Rth,ch (K/W)；
• 散熱器模型（“固定溫度”或“恒定環(huán)境溫度”）。

在選擇“固定溫度”的情況下，系統(tǒng)僅詢問(wèn)其值 (Th)。然而，在第二種情況下，用戶可以輸入熱阻 (Rth,ha)、散熱器時(shí)間常數(shù) (τha) 和環(huán)境溫度 (Tamb)。

MPLAB SiC 模擬器上的模擬結(jié)果

毫無(wú)疑問(wèn)，這是重要和有趣的頁(yè)面（圖 5）。電路運(yùn)行的所有結(jié)果都發(fā)布在這個(gè)頁(yè)面上，它分為幾個(gè)部分。只需單擊其標(biāo)題欄上的小箭頭，即可顯示或隱藏每個(gè)部分。各部分如下：

• 電路/1p
• 仿真控制
• 系統(tǒng)總覽
• 設(shè)備
• 溫度
• 損失概覽
• 設(shè)備損耗故障
• 同步設(shè)備損耗故障
• 源負(fù)載
• 設(shè)備
• 結(jié)溫

當(dāng)按下“模擬”按鈕時(shí)，電路測(cè)試開始。仿真執(zhí)行電路的所有測(cè)試，片刻之后，結(jié)果在各個(gè)部分都可見。每個(gè)部分的顯示方式可以根據(jù)需要改變（柱狀或表格），其中的數(shù)據(jù)可以CSV格式導(dǎo)出。至于圖表，它們不僅僅是頁(yè)面上的靜態(tài)圖像，還可以使用鼠標(biāo)動(dòng)態(tài)放大。實(shí)際上，有三個(gè)圖標(biāo)可幫助用戶對(duì)圖形的特定部分執(zhí)行自定義縮放：

• 縮放；
• 約束縮放；
• 縮放以適合。

還可以在圖形上顯示兩個(gè)拖放光標(biāo)，以便勾勒出信號(hào)的一部分，就像使用真實(shí)的示波器一樣。所有顯示的信息都是動(dòng)態(tài)的，并且會(huì)隨著光標(biāo)的移動(dòng)或縮放級(jí)別的改變而變化。

在 MPLAB SiC 模擬器上生成的

該平臺(tái)的一部分是生成新創(chuàng)建系統(tǒng)的信息（見）。這是一份極其全面的摘要，收集了有關(guān)參數(shù)、變量、使用的設(shè)備、一般操作、溫度、功率損耗等的所有信息。生成的文檔對(duì)于項(xiàng)目的目的非常重要，可以通過(guò)按其圖標(biāo)將其打印或?qū)С鰹?PDF 文件。

結(jié)論

MPLAB SiC 功率仿真器是一種設(shè)計(jì)軟件工具，對(duì)原始設(shè)備制造商 (OEM) 特別有用，它們?yōu)殡妱?dòng)汽車、可持續(xù)發(fā)展和工業(yè)應(yīng)用設(shè)計(jì)功率系統(tǒng)，包括電動(dòng)汽車、車載/非車載充電、電源和電池系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)工具專為模擬電源電路中使用的碳化硅 (SiC) 半導(dǎo)體器件而設(shè)計(jì)。SiC 以其出色的電氣特性而聞名，這使其非常適合用于高壓和高頻應(yīng)用。此外，與硅等傳統(tǒng)半導(dǎo)體相比，SiC 具有更高的能效。使用 MPLAB SiC 功率仿真器，用戶可以評(píng)估 SiC 對(duì)其電源設(shè)計(jì)的影響并改進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)性能和能效。Microchip 的 MPLAB SiC 功率模擬器提供給所有人。