QSPICE模拟仿真：电源电路分析

在本文中，我们将使用内部 QSPICE 库中的元件执行一些电源电路分析。在简要概述内部库中可用的电源元件后，将对一些基本电源电路进行分析，并意识到在这种模拟中所使用的软件质量非常高。

介绍

QSPICE 在其第一个版本中就已经包含一个功率半导体元件库，并且至少在撰写本文时，该软件为用户提供了一个内部且易于使用的库，其中包含以下电源元件类别：

· 结型场效应晶体管 650V

· 结型场效应晶体管 1200V

· 结型场效应晶体管 1700V

· 碳化硅场效应晶体管 650V

· 碳化硅场效应晶体管 1200V

· 碳化硅场效应晶体管 1700V

· 碳化硅肖特基。

在库中选择电源元件是设计工作系统的一个良好起点。这些元件可用于创建基本电路，例如电源、逆变器和稳压器。每当需要特定元件模型时，都可以从外部文件导入。如果您想使用默认库中没有的元件，这很有用。

SiC FET 的静态分析

对于本文中的示例，将使用 SiC FET UF3C120400K3S，它已存在于 QSPICE 库中。该器件采用 TO-247-3L 封装，具有超低栅极电荷和出色的反向恢复特性，非常适合切换电感负载和任何需要标准驱动器的应用。从其官方数据表(我们邀请用户仔细阅读本文档)中，以下是其一些最有用和最重要的参数，设计人员必须了解这些参数才能实现连贯且无错误的设计：

· 典型 RDS(on)：0.410 欧姆

· 最高工作温度：175℃

· 最大漏源电压 (Vds)：1,200 V

· 最大栅源电压 (Vgs)：-25 V 至 +25 V

· 最大连续漏极电流(TC=25°C)：7.6A

· 最大功率耗散：100W。

图 1 显示了涉及为 20 欧姆电阻负载 (R1) 供电的测试电路。该方案由电流发生器 (I1)、用于驱动栅极的电压发生器 (V1) 和 M1 器件型号 UF3C120400K3S 组成。栅极始终通电;因此，FET 始终导通。仿真通过 SPICE 指令检查电源电流在 1 A 至 20 A 之间的电路，并保持连续性：

.直流I1 1 20 1

并通过“.plot”命令显示相关的波形图。

图 1：PWM 发生器的电气图

图2所示的图表突出显示了电路的两个重要参数：

· SiC FET 的功耗与漏极电流的关系

· 系统的效率总是与漏极电流有关。

相对于位于顶部的第一张图，UF3C120400K3S SiC FET 的功耗通过改变其漏极上流动的电流来显示。模拟故意包含比组件本身可以承受的更高的功耗。幸运的是，这可以在模拟中得到允许。SiC FET 的功耗计算如下：

实际上，只考虑漏极电压和漏极电流的乘积，因为栅极电流无关紧要，并且是纳安级的。请记住，FET 允许的最大功率为 100 W，在模拟中故意超过该值，以分析过载情况下电路的行为。这可用于识别潜在的电路可靠性或安全问题。相对于下图，电路的效率根据以下通用公式确定：

尤其是：

从效率图(下图红色)可以看出，制造商认可的整个功率范围的平均效率约为 98%，这是一个出色的效率。但是，如果 FET 耗散的功率开始超过 100 W(相关数据表中规定的限制)，系统的效率就会开始急剧下降到不再最佳和危险的值。在这种情况下，设备也可能被热量损坏。

图 2：FET 耗散功率图(顶部)和系统效率图(底部)

PWM 发生器

PWM 发生器产生由一系列幅度相等但宽度可变的脉冲组成的数字信号。脉冲宽度称为占空比，它决定了等效模拟信号的强度。它可用于控制各种设备的功率输出，例如电动机、LED 和灯、镇流器等。通过适当修改高电平信号 (Ton) 和低电平信号 (Toff) 的持续时间，可以轻松调整 PWM 信号的占空比。占空比越高，等效模拟信号越强。应该注意的是，决定对负载的影响的不是信号的频率，而是有效脉冲的持续时间。

因此，具有相同占空比的两个具有不同频率的信号会产生相同的效果。以下示例(其电气图可在图 3 中看到)涉及为电阻负载供电的 PWM 生成系统的模拟。V1 发生器发出占空比为 50% 的 PWM 信号，频率约为 30 kHz，幅度(在 ON 状态下)为 25 V，适合驱动 SiC FET 的栅极。系统的电源为 96 V，负载为 20 欧姆。

图 3：为电阻负载供电的 PWM 生成系统的电气图

因此，PWM 发生器产生脉冲信号，ON 状态(时间上等同于 OFF 状态)持续时间为 16 微秒。观察图 4 中的信号图，乍一看，系统似乎完美无缺，运行最佳。栅极电压(顶部)和负载电流(底部)实际上遵循清晰的趋势，没有明显问题。

图 4：负载电流图未突出显示电路中存在的问题

然而，需要注意的是，电子元件，尤其是开关元件，具有非理想特性，例如非零电压降和非瞬时开关转换。这些特性可能会限制元件的运行，尤其是在高速或高能量水平下。查看SiC FET 的功率耗散图并放大信号上升沿或下降沿的图表就足以注意到第一个问题。图 5 显示了对应于上升沿的图表，显示的轨迹如下：

· 顶部的第一个波形图包含所有相关信号，在同一个图表中

· 第二个波形图包含 SiC FET 的栅极电压

· 第三个波形图包含负载 R1 上的电流

· 第四张波形图包含 SiC FET 消耗的功率。

转换时间非常短，大约为几十纳秒，但在这种情况下，FET 的行为呈线性，其切换是渐进的，而不是立即的。因此，存在一个瞬态区，其中电流和电压同时为正，并产生可能致命的开关损耗。欧姆定律也证实了这一事实。如今，这种损耗是不可避免的，并且如前所述，发生在开关上升沿和下降沿期间。但是，有许多技术、硬件和软件可以将它们降低到完全可接受的水平。开关损耗虽然持续时间极短，但会导致电压、电流和功率信号的平均值出现问题，还会在RF级别产生干扰。

图 5：器件的“关-开”和“开-关”转换期间会发生重要的开关损耗

结论

使用 QSPICE，电力电子元件的仿真非常高效，最重要的是，它不会出现其他仿真器经常出现的操作问题。它是一种有价值的工具，可以帮助设计人员创建更可靠、更安全的系统，而无需使用任何实际组件。这样，可以减少开发时间和成本，同时降低项目失败的风险。只需更改几个参数，就可以使用仿真来研究过载条件或测试不同的开关操作速度。