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仿真器可以提供許多信息，但無(wú)法告知哪些功率晶體管可以優(yōu)化您的設(shè)計(jì)，也無(wú)法確定晶體管在特定應(yīng)力水平下是否會(huì)損壞。這就是在線 FET-Jet 計(jì)算器的優(yōu)勢(shì)所在。閱讀本博客，了解該軟件如何簡(jiǎn)化器件選擇以及如何準(zhǔn)確預(yù)測(cè)系統(tǒng)性能。
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這篇博客文章最初由 United Silicon Carbide (UnitedSiC) 發(fā)布，該公司于 2021 年 11 月加入 Qorvo 大家庭。UnitedSiC 是一家領(lǐng)先的碳化硅 (SiC) 功率半導(dǎo)體制造商，它的加入促使 Qorvo 將業(yè)務(wù)擴(kuò)展到電動(dòng)汽車(chē) (EV)、工業(yè)電源、電路保護(hù)、可再生能源和數(shù)據(jù)中心電源等快速增長(zhǎng)的市場(chǎng)。
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電源設(shè)計(jì)工具在不斷改進(jìn)，同時(shí)仿真生成的波形越來(lái)越準(zhǔn)確，在調(diào)整、效率和損耗方面的性能也越來(lái)越出色。不過(guò)有一個(gè)小問(wèn)題：仿真器只能根據(jù)您的指示工作，雖然相關(guān)軟件比較聰明，但仍無(wú)法為您選擇功率晶體管，當(dāng)然也無(wú)法告知您選擇的晶體管是否最合適，或者該晶體管在正常電路應(yīng)力下是否會(huì)損壞。
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設(shè)計(jì)人員應(yīng)非常了解需使用的開(kāi)關(guān)技術(shù)，所以他們不會(huì)將 IGBT 用于 MHz 開(kāi)關(guān)或?qū)⒐?MOSFET 用于高功率牽引應(yīng)用，他們或許會(huì)做出明智的選擇，考慮將 UnitedSiC SiC FET 作為起點(diǎn)，以利用其近乎理想的開(kāi)關(guān)性能和較低的傳導(dǎo)損耗。SiC FET 適用范圍比較廣泛，具有不同的電壓額定值、導(dǎo)通電阻和封裝類(lèi)型，而且可以選擇將部件并聯(lián)。我們可以找到性價(jià)比最優(yōu)的 SiC FET，但到目前為止，這還需要通過(guò)仿真進(jìn)行冗長(zhǎng)的迭代或使用不同部件進(jìn)行臺(tái)架測(cè)試。如今，UnitedSiC 的在線 FET-Jet 計(jì)算器改變了這一切。
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該計(jì)算器可以幫您選擇初始部件。該工具無(wú)需注冊(cè)即可免費(fèi)使用，設(shè)計(jì)人員可在其中選擇應(yīng)用、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、電氣設(shè)計(jì)參數(shù)和環(huán)境溫度，并在選定的額定散熱值下，快速嘗試使用 UnitedSiC SiC FET 系列中的器件和二極管。隨后即刻計(jì)算出關(guān)鍵性能結(jié)果（包括整體效率）、組件損耗（分為動(dòng)態(tài)損耗和傳導(dǎo)損耗）、結(jié)溫以及電流應(yīng)力水平。如果產(chǎn)生的電壓高于所選部件的額定電壓，則會(huì)發(fā)出警告。
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進(jìn)一步探究可發(fā)現(xiàn)，可以選擇的應(yīng)用包括 AC-DC 前端應(yīng)用以及隔離或非隔離型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。每個(gè)應(yīng)用中都可以選擇目前流行的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。例如：在 AC-DC 應(yīng)用中，可選擇傳統(tǒng)升壓型 PFC、圖騰柱型 PFC、Vienna 整流器或兩電平電壓源逆變器。在非隔離型 DC-DC 應(yīng)用中，除了三級(jí)升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，還可選擇包含或不包含同步整流功能的降壓式或升壓式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在隔離型 DC-DC 應(yīng)用中，可選擇較常用的 LLC 轉(zhuǎn)換器，還可以選擇半橋、全橋，以及能夠控制相移的相移全橋或雙有源橋等版本。如有必要，還可支持連續(xù)導(dǎo)通 (CCM) 和臨界導(dǎo)通 (BCM) 等多種導(dǎo)通模式。
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通過(guò)下拉菜單，可選擇 UnitedSiC 系列的 SiC FET 和二極管，下拉菜單會(huì)定期更新，增加最新發(fā)布的器件。單擊某個(gè)器件即可跳轉(zhuǎn)至其產(chǎn)品頁(yè)面，產(chǎn)品頁(yè)面中提供器件數(shù)據(jù)手冊(cè)和 SPICE 模型的鏈接，非常實(shí)用便捷。顯示的器件清單還可以按照額定電壓、封裝類(lèi)型和系列進(jìn)行排序，并且還有一個(gè)滑塊，用于將選擇范圍限定在某個(gè)額定電流范圍內(nèi)。
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以下示例將更好地為您展示該計(jì)算器的強(qiáng)大功能。如果我們?cè)诟綦x型 DC-DC 部分中選擇一個(gè)相移全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，我們會(huì)看到屏幕中出現(xiàn)以下內(nèi)容。
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圖 1：UnitedSiC FET-Jet 計(jì)算器的屏幕截圖示例
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這里，我們選擇 800V 輸入電源，提供 400V/12kW 輸出。開(kāi)關(guān)頻率設(shè)置為 80kHz，并且輸入了 PSFB 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的相應(yīng)參數(shù)，如期望的峰峰值電感波紋電流、最大初級(jí)相移、最大工作周期損耗、變壓器初級(jí)線圈電容和匝比。可指定最高散熱溫度，還可以指定從開(kāi)關(guān)通過(guò)隔離墊到散熱器的熱阻。請(qǐng)注意，器件導(dǎo)通電阻和結(jié)至外殼的電阻可設(shè)置為 “典型值” 或 “最大值”，以便對(duì)最壞情況進(jìn)行分析。
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選擇 UF3C120080K4S 器件后，計(jì)算器會(huì)立即計(jì)算出正向和反向開(kāi)關(guān)電流的平均值和均方根值，以及完全擊穿時(shí)的傳導(dǎo)損耗和開(kāi)關(guān)損耗，同時(shí)得到 99.25% 的半導(dǎo)體整體效率。現(xiàn)在，您可以嘗試選擇其他器件或運(yùn)行條件并查看結(jié)果。例如：使用相同 SiC FET 時(shí)，將開(kāi)關(guān)頻率提高到 200kHz 會(huì)使損耗增加 19%，但進(jìn)一步計(jì)算可能會(huì)顯示由此帶來(lái)的好處，即磁性組件顯著縮小，這或許就是半導(dǎo)體損耗較高的原因。嘗試將功率翻倍至 24kW 時(shí)，會(huì)出現(xiàn)紅色警告，表明器件結(jié)溫超過(guò)最大額定值。
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我們還可以進(jìn)行一個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn)，即將每個(gè)位置的并聯(lián) FET 數(shù)量設(shè)置為 1 個(gè)以上。然后，返回至默認(rèn)設(shè)置，可發(fā)現(xiàn)使用兩個(gè)并聯(lián) FET（而不是一個(gè)），可將整體損耗減少近一半，結(jié)溫降低近 20℃。這是因?yàn)殡娏饔蓛蓚€(gè)器件分流，而功率與電流的平方成正比，所以與使用單個(gè)器件相比，使用兩個(gè)器件時(shí)每個(gè)器件的損耗只有四分之一，兩個(gè)器件的總損耗只有一半。而且因?yàn)閭鲗?dǎo)損耗僅為使用單個(gè)器件的四分之一，所以每個(gè) FET 的運(yùn)行溫度更低，所以其導(dǎo)通電阻和損耗也更低。這與兩個(gè) FET 并聯(lián)導(dǎo)致的開(kāi)關(guān)損耗略微升高相抵消。
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在電源設(shè)計(jì)中，一開(kāi)始的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)選擇可能是件苦差事。UnitedSiC 的新型 FET-Jet 計(jì)算機(jī)可幫助您輕松并準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)系統(tǒng)性能。對(duì)于希望快速可靠地預(yù)測(cè) UnitedSiC FET 在各種應(yīng)用中性能的設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，這款多功能型 FET-Jet 計(jì)算器具有非常大的吸引力，不僅有趣，而且還是免費(fèi)的！
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