AC/DC 拓扑：SpeedFit 示例

Wolfspeed SpeedFit 2.0 Design Simulator 是一款快速且实用的仿真工具，可快速比较不同的系统规格、拓扑、器件甚至热参数，帮助用户针对应用进行优化设计。这款用户友好型工具可用来估计系统损耗、热性能和效率，还可以观测重要的电压和电流波形。关于 SpeedFit 功能的详细论述参见此处。

 

SpeedFit 2.0 允许用户模拟 AC/DC 应用的六种不同的单相拓扑（图 1）。这些拓扑为有源单相升压模式电路，用于功率因数校正（PFC）应用（图 2）。PFC 的设计满足了对低成本和高效率的需求。针对电源的 80 PLUS® 效率要求标准，以及针对电源谐波含量的 IEEE 519 等标准越来越严格。为了符合当今的效率标准，电源需要具有高效的 PFC 级。SpeedFit 仿真软件能够评估在高频率操作下运用 SiC 器件的设计，以及在低频率工作下的可配置 Si 或 SiC 二极管，帮助用户设计 PFC。

 

▲ 图 1：SpeedFit -“Application”（应用）选项卡

 

▲ 图 2：SpeedFit -“Input”（输入）选项卡

 

本文以 AC/DC 应用为例，重点介绍怎样利用 SpeedFit 来对不同拓扑进行比较，从而设计出效率更高的变换器。为便于说明，我们假设了一组系统规格，比较三种不同的拓朴。这些规格的选取基于 Wolfspeed 3.6 kW 图腾柱转换器参考设计。下文针对所选规格，对这些拓扑的性能进行了介绍和比较。这些拓扑分别为：传统升压转换器、图腾柱转换器 - LF 二极管、图腾柱转换器 - LF MOSFET。

 

▲ 表 1：3.6 kW 图腾柱 PFC 参考设计的规格

 

SpeedFit 参数

 

可以在 SpeedFit 的不同选项卡中输入表 1 中的规格。可在此处查看关于 SpeedFit 不同选项卡的更多信息。可以使用表 2 中列出的信息指定与 3.6 kW 图腾柱转换器参考设计一致的参数。

 

▲ 表 2：SpeedFit 参数及其值

 

热参数与 3.6 kW 图腾柱参考设计一致。界面热阻 Rth,ch = Rth + Rth,PCB + Rth,TIM = (0.015 + 0.45 + 0.52) K/W = 0.985 K/W。

 

参考设计中给出的散热器到环境热阻为 3.4 K/W。但是，这适用于半桥臂的散热器。由于有两个半桥臂，因此有效的散热器热阻可以近似为 1.7 K/W。因此，Rth,ha = (3.4 / 2) K/W = 1.7 K/W。

 

在“Simulation”（仿真）选项卡（图 3），提供了正向压降 (Vf) 和导通电阻 (Ron) 参数，以便把整流二极管的损耗包括在效率计算中。用户可以根据他们打算使用的整流二极管编辑这些值。这些二极管可以是 Si 二极管或 SiC 二极管。由于这些二极管将在低频率波形下工作，因此它们的损耗主要是导通损耗。这些器件中的损耗显示在“器件概览”表中。

 

▲ 图 3：SpeedFit -“Simulation”（仿真）选项卡

 

“Summary”（总结）选项卡显示损耗和波形的系统概览。具体而言，对于 AC/DC 拓扑，还包括整流二极管损耗和 LF MOSFET。

 

拓扑对比

 

为了便于说明，本文比较了三种不同的 PFC 拓扑。本节包含有关这些拓扑的重要说明和观察结果，重点介绍如何利用 SpeedFit 比较这些不同的拓扑。

 

传统升压 PFC

 

▲ 图 4：传统升压 PFC 拓扑

 

传统升压拓扑由由全波整流器和升压变换器组成。整流二极管中只流过工频电流；因此，Si 整流二极管可以用于该整流级。因此，通过整流级的电流只会增加转换器中的传导损耗。因此，Vf 和 Ron 参数足以确定这些二极管中的损耗。从图 6 中可以看出，整流二极管是损耗最大的器件，影响该拓扑的整体效率。因此，在评估拓扑效率时，观察系统所有组件中的损耗至关重要。由于传统升压 PFC 效率较低，因此适用于低功耗应用。该拓扑适用于符合 80 Plus Silver 或 Gold 标准。

 

在 SpeedFit 中，用户可以对整流二极管的正向压降 Vf 和 导通电阻 Ron 进行配置。图 6 显示的“器件概览”表显示了不同器件中损耗的分布，即 MOSFET、二极管（升压级）和整流二极管（整流级）。

 

图腾柱转换器 – LF 二极管

 

▲ 图 5：图腾柱转换器 – LF 二极管拓扑

 

具有低频率（LF）二极管的图腾柱转换器由两个以开关频率运行的 MOSFET 和两个工作在工频的二极管组成。用户可以从“Device”（器件）选项卡中选择 Wolfspeed MOSFET，还可以根据客户所用的 Si 或 SiC 二极管的规格书配置仿真用的二极管的正向电压 (Vf) 和 Ron（导通电阻）。这是一种开关器件用量最少的低成本拓扑。由于减少了工频整流桥，所以它相对于传统升压 PFC 拓扑效率得到了提升，但由于工频整流器支路中的传导损耗较高，其效率略低于具有 LF MOSFET 的图腾柱转换器。

 

▲ 图 6：仿真概览 - 传统升压转换器

 

▲ 图 7：仿真概览 - 图腾柱转换器 - LF 二极管

▲ 图 8：仿真概览 - 图腾柱转换器 - LF MOSFET

 

图腾柱转换器 – LF MOSFET

 

▲ 图 9：图腾柱转换器 – LF MOSFET 拓扑

 

具有低频率（LF）MOSFET 的图腾柱转换器采用两个高频率 MOSFET 和两个低频率（LF）MOSFET。该拓扑未使用任何整流二极管。与整流二极管相比，LF MOSFET 中产生的导通损耗要低得多。因此，这是最高效的拓扑。但是，这里需要更多的栅极驱动器，会增加转换器的尺寸和成本。

 

总结

 

表 3 总结了考虑的三种拓扑的详细信息。表格中列出了所使用的器件，并对效率进行了对比。

 

▲ 表 3：三种拓扑之间进行对比：传统升压转换器、图腾柱转换器 - LF 二极管、图腾柱转换器 - LF MOSFET

 

请注意：图腾柱转换器 – LF MOSFET 的参考设计中所注的峰值效率（>99%）包括辅助电源和转换器其他组件中的损耗，而上述效率仅包括功率半导体器件中的损耗。

 

SpeedFit  仿真软件 2.0 允许用户进行其应用的不同拓扑和设计的对比。用户可以灵活选择最优的 SiC MOSFET 和 SiC 肖特基二极管，还可以配置低频率 Si 二极管的规格，以帮助估计转换器效率的实际值。“Simulation”（仿真）选项卡上的“系统”和“器件概览”表（如图 6 - 8 所示）总结了 HF MOSFET、LF MOSFET 和 SiC/Si 整流二极管等不同组件中的损耗，便于分别分析每个器件中的损耗并优化设计。

 

英文原稿，敬请访问：

 

https://www.wolfspeed.com/knowledge-center/article/ac-dc-topologies-speedfit-examples/