电源设计说明：如何优化您的SiC器件

采用 SiC电子元件的电力电子设备越来越多地用于工业、家用和汽车电源中最苛刻的开关操作。电路的实现显然不是随机执行的，而是遵循精确的计算路线和数学公式，这些公式考虑了许多理论和实际因素以及几个变量。UnitedSiC 推出了FET-Jet 计算器，这是一种在线工具，用于选择和比较不同电源应用的性能。

计算机

让我们来看看它的一些值得注意的功能：

• 在各种基于功率的应用中轻松评估全系列 UnitedSiC FET 和二极管；
• AC-DC：PFC升压、PFC图腾、Vienna整流器；2电平电压源逆变器；
• DC-DC（非隔离）：降压或升压，带或不带同步整流3级升压；
• DC-DC（隔离）：LLC 全桥或半桥变体、全移相桥、带相位控制的有源双桥；
• CCM和BCM管理方法支持；
• 它提供即时结果以促进基本设计决策，包括整体效率、由于动态和传导原因导致的组件损耗、结温、应力水平、并联设备的数量（如果有）；
• 无需注册

图1：计算器的登录页面

在线应用程序的主要目的是将电力电子与设计简单性相结合。选择适合您需求的 SiC 器件对设计人员来说必须是一个简单的操作。这是 FET-Jet 计算器的基本目标之一。它可以帮助设计人员选择 UnitedSiC 器件并更加专注于他们的项目。它允许做出正确、快速和安全的设计决策。所有这一切都发生在 3 个简单的步骤中：

• 选择应用程序；
• 选择拓扑；
• 输入操作规范并选择设备。

计算器的用途

UnitedSiC 在线发布并提供给设计人员的工具很有价值。它可以轻松识别适合您的电力项目的最佳 UnitedSiC 设备。用户只需为其应用选择功能和拓扑结构，输入设计参数的详细信息，最后，仪器就会自动计算电路的电流、效率和损耗。工作温度和散热器特性作为输入提供，以显示预期的工作结温。用户可以通过改变电感器和开关频率来实时检查和评估电路变化的影响和后果。此外，可以选择单个或并联设备来显示具有不同额定电流的设备的相对整体性能。如果选择不合适或完全错误，例如当标称电压不足以满足所选条件和拓扑结构时，仪器会发出警告。这些提示可帮助用户快速找到可行且正确的解决方案。所有 UnitedSiC FET 和肖特基二极管都可以从可分类表中选择，其中包括封装 TO-220、TO-247、TO-247 / 4L、DFN 8×8 和最近制造的第 4 代 750 V 器件的器件。这种选择对设计者来说不是障碍，而是为功率元件的最终选择提供了进一步的帮助。其中包括采用 TO-220、TO-247、TO-247 / 4L、DFN 8×8 封装的器件，以及最近制造的第 4 代 750 V 器件。这种选择对设计者来说不是障碍，而是为功率元件的最终选择提供了进一步的帮助。其中包括采用 TO-220、TO-247、TO-247 / 4L、DFN 8×8 封装的器件，以及最近制造的第 4 代 750 V 器件。这种选择对设计者来说不是障碍，而是为功率元件的最终选择提供了进一步的帮助。

预期的计算解决方案

计算工具可从https://unitedsic.com/fet-jet/ 获得。您可以在此处输入有关要构建和设计的电路的信息。该项目的第一个区别涉及通过选择相关选项来选择以下项目：

• 交流/直流；
• 直流/直流；
• DC/DCiso。

等效电路如图2所示。详细地，计算器分析了以下类型的解决方案：

• 交流/直流
  • PFC
  • TPPFC
  • 维也纳
  • VSI 2 级
• 直流/直流
  • 降压
  • 促进
  • 升压3L
  • HB降压
  • HB升压
• 直流 / 直流
  • PSFB
  • 有限责任公司
  • 有限责任公司FB
  • 轻拍

图 2：与三大类计算相关的等效电路

计算示例：AC/DC PFC 转换器

这是使用在线计算器的简单示例。稍后将进一步探讨一些概念。交流/直流 PFC 转换器设计的通用电路如图 3所示，它包括典型的整流桥、电感器、开关 MOSFET、整流二极管和电容器。

图 3：AC/DC PFC 转换器的设计

屏幕左侧包含用户要输入的输入数据，屏幕右侧包含输出数据和计算参数。计算器提供了两个列表来选择 MOSFET 和二极管的型号。在选择电子元件时，可以限制电流的作用范围。还可以根据这些其他附加条件过滤列表：

• 标称电压；
• 额定电流；
• 包裹类型；
• 系列。

例如，我们可以选择具有以下技术特性的 MOSFET 型号 UF3C065040K3S：

• 额定电压：650V；
• 额定电流：54A；
• 封装：TO-247-3L；
• RDS（开）：42 毫欧；
• 最高工作温度：175℃；
• 低电容值；
• 系列：UF3C/SC。

通过单击组件模型，该网站会显示相关页面及其官方数据表。要选择所选组件并将其插入接线图中，请单击列表左侧的点。二极管的选择包括相同的选择标准。在这种情况下，选择了 UJ3D06560KSD 二极管，因为它具有以下特性：

• 额定电压：650V；
• 额定电流：10A；
• 封装：TO-247-3L；
• 最高工作温度：175℃；
• 非常高的开关速度；
• 系列：UJ3D。

然后输入一些运行参数（如图4所示）：

• 额定功率 [VA]
• 线到零线 RMS 电压 [V]
• 腿数
• 直流母线电压 [V]
• 开关频率 [Hz]
• 输入电感纹波电流 [%]
• 并联 FET 的数量
• 并联二极管数量
• 类型
• Rthjc型
• 散热器温度 [° C]
• FET Rthcs（隔离垫）[K / W]
• 二极管 Rthcs（隔离垫）[K / W]

图 4：用于计算 AC/DC PFC 转换器的一些数据

处理最多需要两到三秒钟才能显示最终结果。最终的计算非常有用，如图 5所示。它们分为以下几类：

• 计算参数
  • 每条腿的 RMS 电流 [A]
  • 峰值电流 FET [A]
  • 峰值电流二极管 [A]
  • 调制因子
  • FET Rdson 调整到温度 [Ohm]
• 每个 FET 和温度的损耗
  • 传导 [W]
  • 开启开关 [W]
  • 关断开关 [W]
  • 总计 [W]
  • FET 结温 [°C]
• 每个二极管和温度的损耗
  • 传导 [W]
  • 总计 [W]
  • 二极管结温 [°C]
• 总损耗和效率
  • 腿用 [W]
  • 总计 [W]
  • 半导体效率 [%]

图 5：计算器显示的 AC/DC PFC 转换器的结果和输出数据

程序计算出的参数显然不是所有的模拟都一样。每个转换器模型都有自己的计算参数类别。

效率是最重要的参数之一
所有的计算和求解方法都提供了一个非常重要的参数作为最终结果，即效率。它取决于不同的参数，并且始终是至关重要且极其重要的一点，尤其是在电源和转换器方面。具有以下功能的升压转换器示例：

• 场效应管选择：UF3SC065040D8S
• 二极管选择：UJ3D1210TS
• 额定功率 [W]: 3000
• 输入电压[V]：325
• 输出电压[V]：600
• 电感 [uH]：800
• Rdson：典型
• 散热器温度 [°C]：70

提供 99.55% 的效率，如图 6所示。

 

图 6：计算器提供的最重要的参数之一是效率

图 6：计算器提供的最重要参数之一是效率

另一个非常重要的参数是电感“纹波”电流，在这种情况下，用户可以将其作为输入数据输入。电感纹波电流作为输入参数用于优化开关损耗估计。

计算器精度

FET-Jet 计算器的准确度如何？在准确性、易用性和速度之间肯定存在一些权衡。您不能同时满足所有这些要求。FET-Jet 计算器通过在可能的情况下最小化错误并通过执行简化来适当地调整这些参数，从而在典型应用中以低精度损失获得快速结果。精度足以满足 FET-Jet 计算器的预期用途，该计算器是一种选择电源设备并进行比较的工具，以便在您的项目中使用最合适的组件。FET-Jet 计算器不区分输入功率和输出功率。在大多数解决方案中，功率半导体的效率足够高，使得输入和输出功率之间的微小差异可以忽略不计。

系统特性和结论

电源开关设备现已成为现实，设计人员越来越多地使用它们。使用带有 SiC 的 MOSFET 和二极管的能量转换器和电源系统越来越受欢迎。事实上，设计人员感到缺乏一个有效和完整的计算器，它可以在一个包中检查所有类型的连接。对于第一次使用 SiC 的工程师或那些正在寻找适合其设计的最佳 SiC 器件的工程师，该计算器是一种快速简便的方法来评估各种功率拓扑中的 UnitedSiC FET，从而加速研发并避免浪费如果选择了不合适的设备，则需要花时间创建高级模拟。只需点击几下即可引导设计师走向正确的方向并获得最佳设计。该计算器将很快进行更新和更新，并实施有用的图形，这些图形将涵盖各种参数，例如电流、温度、输入和输出电压以及效率。目前，系统的表征可以手动进行，更改值并将结果绘制在电子表格上，如在图7。该示例涉及创建具有以下特征的降压转换器 CCM 系统：

• 场效应管选择：UF3SC065007K4S
• 二极管选择：UJ3D1250K
• 额定功率 [W]: 500
• 输入电压 [V]：从 15 到 100
• 输出电压[V]：12
• 腿数：1
• 电感 [uH]：75
• 开关频率[Hz]：75000
• 并联 FET 数量：1
• 并联二极管数量：1
• Rdson 类型：典型
• Rthjc 类型：最大
• 散热器温度 [°C]：80
• FET Rthcs（隔离垫）[K/W]：0.6
• 二极管 Rthcs（隔离垫）[K/W]：0.6

仿真的目的是查看系统的效率如何对输入电源电压的变化做出反应。该图显示了两条曲线，开关频率分别为 75 kHz 和 200 kHz。在不同条件下的测量给出以下结果：

酒	75 kHz 时的效率	200 kHz 时的效率
15	94.76	94.39
20	92.35	91.87
25	90.88	90.27
30	89.87	89.14
35	89.13	88.28
40	88.55	87.59
45	88.09	87.01
50	87.71	86.51
55	87.38	86.06
60	87.10	85.66
65	86.85	85.29
70	86.62	84.94
75	86.41	84.62
80	86.23	84.31
85	86.05	84.02
90	85.89	83.74
95	85.74	83.46
100	85.59	83.2

图 7：降压系统项目的简单示例及其根据输入电压和开关频率的效率曲线

　　审核编辑：汤梓红