在本文中，我們將使用內(nèi)部 QSPICE 庫(kù)中的元件執(zhí)行一些電源電路分析。在簡(jiǎn)要概述內(nèi)部庫(kù)中可用的電源元件后，將對(duì)一些基本電源電路進(jìn)行分析，并意識(shí)到在這種模擬中所使用的軟件質(zhì)量非常高。

介紹

QSPICE 在其第一個(gè)版本中就已經(jīng)包含一個(gè)功率半導(dǎo)體元件庫(kù)，并且至少在撰寫(xiě)本文時(shí)，該軟件為用戶(hù)提供了一個(gè)內(nèi)部且易于使用的庫(kù)，其中包含以下電源元件類(lèi)別：

· 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管 650V

· 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管 1200V

· 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管 1700V

· 碳化硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管 650V

· 碳化硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管 1200V

· 碳化硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管 1700V

· 碳化硅肖特基。

在庫(kù)中選擇電源元件是設(shè)計(jì)工作系統(tǒng)的一個(gè)良好起點(diǎn)。這些元件可用于創(chuàng)建基本電路，例如電源、逆變器和穩(wěn)壓器。每當(dāng)需要特定元件模型時(shí)，都可以從外部文件導(dǎo)入。如果您想使用默認(rèn)庫(kù)中沒(méi)有的元件，這很有用。

SiC FET 的靜態(tài)分析

對(duì)于本文中的示例，將使用 SiC FET UF3C120400K3S，它已存在于 QSPICE 庫(kù)中。該器件采用 TO-247-3L 封裝，具有超低柵極電荷和出色的反向恢復(fù)特性，非常適合切換電感負(fù)載和任何需要標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用。從其官方數(shù)據(jù)表(我們邀請(qǐng)用戶(hù)仔細(xì)閱讀本文檔)中，以下是其一些最有用和最重要的參數(shù)，設(shè)計(jì)人員必須了解這些參數(shù)才能實(shí)現(xiàn)連貫且無(wú)錯(cuò)誤的設(shè)計(jì)：

· 典型 RDS(on)：0.410 歐姆

· 最高工作溫度：175℃

· 最大漏源電壓 (Vds)：1,200 V

· 最大柵源電壓 (Vgs)：-25 V 至 +25 V

· 最大連續(xù)漏極電流(TC=25°C)：7.6A

· 最大功率耗散：100W。

圖 1 顯示了涉及為 20 歐姆電阻負(fù)載 (R1) 供電的測(cè)試電路。該方案由電流發(fā)生器 (I1)、用于驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O的電壓發(fā)生器 (V1) 和 M1 器件型號(hào) UF3C120400K3S 組成。柵極始終通電;因此，F(xiàn)ET 始終導(dǎo)通。仿真通過(guò) SPICE 指令檢查電源電流在 1 A 至 20 A 之間的電路，并保持連續(xù)性：

.直流I1 1 20 1

并通過(guò)“.plot”命令顯示相關(guān)的波形圖。

圖 1：PWM 發(fā)生器的電氣圖

圖2所示的圖表突出顯示了電路的兩個(gè)重要參數(shù)：

· SiC FET 的功耗與漏極電流的關(guān)系

· 系統(tǒng)的效率總是與漏極電流有關(guān)。

相對(duì)于位于頂部的第一張圖，UF3C120400K3S SiC FET 的功耗通過(guò)改變其漏極上流動(dòng)的電流來(lái)顯示。模擬故意包含比組件本身可以承受的更高的功耗。幸運(yùn)的是，這可以在模擬中得到允許。SiC FET 的功耗計(jì)算如下：

實(shí)際上，只考慮漏極電壓和漏極電流的乘積，因?yàn)闁艠O電流無(wú)關(guān)緊要，并且是納安級(jí)的。請(qǐng)記住，F(xiàn)ET 允許的最大功率為 100 W，在模擬中故意超過(guò)該值，以分析過(guò)載情況下電路的行為。這可用于識(shí)別潛在的電路可靠性或安全問(wèn)題。相對(duì)于下圖，電路的效率根據(jù)以下通用公式確定：

尤其是：

從效率圖(下圖紅色)可以看出，制造商認(rèn)可的整個(gè)功率范圍的平均效率約為 98%，這是一個(gè)出色的效率。但是，如果 FET 耗散的功率開(kāi)始超過(guò) 100 W(相關(guān)數(shù)據(jù)表中規(guī)定的限制)，系統(tǒng)的效率就會(huì)開(kāi)始急劇下降到不再最佳和危險(xiǎn)的值。在這種情況下，設(shè)備也可能被熱量損壞。

圖 2：FET 耗散功率圖(頂部)和系統(tǒng)效率圖(底部)

PWM 發(fā)生器

PWM 發(fā)生器產(chǎn)生由一系列幅度相等但寬度可變的脈沖組成的數(shù)字信號(hào)。脈沖寬度稱(chēng)為占空比，它決定了等效模擬信號(hào)的強(qiáng)度。它可用于控制各種設(shè)備的功率輸出，例如電動(dòng)機(jī)、LED 和燈、鎮(zhèn)流器等。通過(guò)適當(dāng)修改高電平信號(hào) (Ton) 和低電平信號(hào) (Toff) 的持續(xù)時(shí)間，可以輕松調(diào)整 PWM 信號(hào)的占空比。占空比越高，等效模擬信號(hào)越強(qiáng)。應(yīng)該注意的是，決定對(duì)負(fù)載的影響的不是信號(hào)的頻率，而是有效脈沖的持續(xù)時(shí)間。

因此，具有相同占空比的兩個(gè)具有不同頻率的信號(hào)會(huì)產(chǎn)生相同的效果。以下示例(其電氣圖可在圖 3 中看到)涉及為電阻負(fù)載供電的 PWM 生成系統(tǒng)的模擬。V1 發(fā)生器發(fā)出占空比為 50% 的 PWM 信號(hào)，頻率約為 30 kHz，幅度(在 ON 狀態(tài)下)為 25 V，適合驅(qū)動(dòng) SiC FET 的柵極。系統(tǒng)的電源為 96 V，負(fù)載為 20 歐姆。

圖 3：為電阻負(fù)載供電的 PWM 生成系統(tǒng)的電氣圖

因此，PWM 發(fā)生器產(chǎn)生脈沖信號(hào)，ON 狀態(tài)(時(shí)間上等同于 OFF 狀態(tài))持續(xù)時(shí)間為 16 微秒。觀察圖 4 中的信號(hào)圖，乍一看，系統(tǒng)似乎完美無(wú)缺，運(yùn)行最佳。柵極電壓(頂部)和負(fù)載電流(底部)實(shí)際上遵循清晰的趨勢(shì)，沒(méi)有明顯問(wèn)題。

圖 4：負(fù)載電流圖未突出顯示電路中存在的問(wèn)題

然而，需要注意的是，電子元件，尤其是開(kāi)關(guān)元件，具有非理想特性，例如非零電壓降和非瞬時(shí)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換。這些特性可能會(huì)限制元件的運(yùn)行，尤其是在高速或高能量水平下。查看SiC FET 的功率耗散圖并放大信號(hào)上升沿或下降沿的圖表就足以注意到第一個(gè)問(wèn)題。圖 5 顯示了對(duì)應(yīng)于上升沿的圖表，顯示的軌跡如下：

· 頂部的第一個(gè)波形圖包含所有相關(guān)信號(hào)，在同一個(gè)圖表中

· 第二個(gè)波形圖包含 SiC FET 的柵極電壓

· 第三個(gè)波形圖包含負(fù)載 R1 上的電流

· 第四張波形圖包含 SiC FET 消耗的功率。

轉(zhuǎn)換時(shí)間非常短，大約為幾十納秒，但在這種情況下，F(xiàn)ET 的行為呈線性，其切換是漸進(jìn)的，而不是立即的。因此，存在一個(gè)瞬態(tài)區(qū)，其中電流和電壓同時(shí)為正，并產(chǎn)生可能致命的開(kāi)關(guān)損耗。歐姆定律也證實(shí)了這一事實(shí)。如今，這種損耗是不可避免的，并且如前所述，發(fā)生在開(kāi)關(guān)上升沿和下降沿期間。但是，有許多技術(shù)、硬件和軟件可以將它們降低到完全可接受的水平。開(kāi)關(guān)損耗雖然持續(xù)時(shí)間極短，但會(huì)導(dǎo)致電壓、電流和功率信號(hào)的平均值出現(xiàn)問(wèn)題，還會(huì)在RF級(jí)別產(chǎn)生干擾。

圖 5：器件的“關(guān)-開(kāi)”和“開(kāi)-關(guān)”轉(zhuǎn)換期間會(huì)發(fā)生重要的開(kāi)關(guān)損耗

結(jié)論

使用 QSPICE，電力電子元件的仿真非常高效，最重要的是，它不會(huì)出現(xiàn)其他仿真器經(jīng)常出現(xiàn)的操作問(wèn)題。它是一種有價(jià)值的工具，可以幫助設(shè)計(jì)人員創(chuàng)建更可靠、更安全的系統(tǒng)，而無(wú)需使用任何實(shí)際組件。這樣，可以減少開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本，同時(shí)降低項(xiàng)目失敗的風(fēng)險(xiǎn)。只需更改幾個(gè)參數(shù)，就可以使用仿真來(lái)研究過(guò)載條件或測(cè)試不同的開(kāi)關(guān)操作速度。