AC/DC拓扑：SpeedFit示例
wolfspeed speedfit 2.0 design simulatortm 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。
speedfit 2.0 允许用户模拟 ac/dc 应用的六种不同的单相拓扑。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。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。
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。
参数 值
输入电压 230 v (rms) – 额定
电压 420 v (dc)
输出功率 3.6 kw – 最大值
市电频率 50 - 60 hz
开关频率 60 khz
电感值 0.44 mh
死区时间 200 ns
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。
选项卡 参数 值
输入 输入电压 230 v
输入 输出电压 420 v
输入 额定输出功率， so 3600 va
输入 交流频率， fac 60 hz
输入 开关频率 60 khz
输入 死区时间 200 ns
器件 并联 mosfet 的数量 1
器件 导通栅极电阻，rg-on,ext 4.7 ohm
器件 关断栅极电阻，rg-off,ext 2.2 ohm
热学 散热器温度，rth,ch 0.985 k/w
热学 散热器温度，th variable
热学 热阻，rth,ha 1.7 k/w
热学 散热器时间常数，τha 60
热学 散热器上的附加热源，padd 0
热学 环境温度，tamb 50 oc
仿真 电感器，l 0.44 mh
仿真 硅二极管正向电压，vf 0.92 v
仿真 硅二极管导通电阻，ron 0.033 ohms
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。
“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
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
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，所以它相对于传统生涯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。
图腾柱转换器 – lf mosfet
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，还可以配置低频率硅二极管的规格，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。
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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。
参数 值
输入电压 230 v (rms) – 额定
电压 420 v (dc)
输出功率 3.6 kw – 最大值
市电频率 50 - 60 hz
开关频率 60 khz
电感值 0.44 mh
死区时间 200 ns
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。
选项卡 参数 值
输入 输入电压 230 v
输入 输出电压 420 v
输入 额定输出功率， so 3600 va
输入 交流频率， fac 60 hz
输入 开关频率 60 khz
输入 死区时间 200 ns
器件 并联 mosfet 的数量 1
器件 导通栅极电阻，rg-on,ext 4.7 ohm
器件 关断栅极电阻，rg-off,ext 2.2 ohm
热学 散热器温度，rth,ch 0.985 k/w
热学 散热器温度，th variable
热学 热阻，rth,ha 1.7 k/w
热学 散热器时间常数，τha 60
热学 散热器上的附加热源，padd 0
热学 环境温度，tamb 50 oc
仿真 电感器，l 0.44 mh
仿真 硅二极管正向电压，vf 0.92 v
仿真 硅二极管导通电阻，ron 0.033 ohms
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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。
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图腾柱转换器 – lf mosfet
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，还可以配置低频率硅二极管的规格，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。
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