Електронні компоненти і системи 
Цифрова електроніка йде шляхом постійної мініатюризації та зменшення споживаної енергії. Але для пристроїв з великим споживанням енергії, таких як електромобілі, електровози та багато інших, основним завданням є зниження втрат енергії, а не зменшення потужності самих пристроїв. А для досягнення таких цілей необхідно знижувати втрати в проводах, що з’єднують силові приводи та джерела живлення, а також втрати на перемикання в самих перетворювачах енергії. Чим менший струм у силових ланцюгах, тим менші втрати. Але для забезпечення достатньої потужності доводиться збільшувати робочу напругу. Наприклад, у легкових електромобілях підвищують робочу напругу бортової мережі з 12 до 48 В і до 400-800 В у силовій частині.
Переваги SiC у силовій електроніці
Електрифікація всього і вся стимулює зростання використання напівпровідників SiC (на основі карбіду кремнію) для великих сегментів ринку, таких як електромобілі та інший електротранспорт. Промисловий перехід до силових рішень SiC відбувається через більш високу швидкість перемикання (а отже, зниження втрат потужності) та можливість роботи при вищих температурах у цих напівпровідникових приладів.
MPLAB SiC Power Simulator від Microchip
Щоб допомогти інженерам скоротити час для переходу на силові рішення SiC, компанія Microchip Technology 20 березня 2023 р. випустила он-лайн симулятор MPLAB® SiC Power Simulator, який дозволяє протягом кількох хвилин спроєктувати потужний перетворювач енергії із заданими характеристиками та отримати інформацію про ККД спроєктованого пристрою і повний перелік елементів, необхідних для його реалізації .
MPLAB SiC Power Simulator — це програмне середовище на основі PLECS, розроблене у співпраці з компанією Plexim для надання безкоштовного онлайн-інструменту, який усуває необхідність придбання ліцензії на моделювання. MPLAB SiC Power Simulator прискорює процес проєктування різних топологій живлення на основі SiC. Клієнти можуть упевнено тестувати та оцінювати рішення SiC на етапі проєктування.
Програма дозволяє істотно скоротити не тільки час розробки, надаючи можливість провести порівняльний аналіз різних рішень, але й скорочує час вибору компонентів. Розробник силової електроніки, вибираючи між транзисторами з опором відкритого каналу 25 мОм або 40 мОм SiC MOSFET (наприклад, для трифазного активного вхідного перетворювача), може відразу отримати результати моделювання, такі як середня розсіювана потужність і пікова температура переходу проєктованого пристрою.
Асортимент виробів SiC компанії Microchip
Асортимент виробів SiC компанії Microchip включає найкращі в галузі корпуси силових модулів з найнижчою паразитною індуктивністю (<2.9 нГн), а також найкращі в галузі дискретні польові МОП-транзистори та діоди з номінальною робочою напругою до 3.3 кВ, а також модулі на 700, 1200 і 1700 В і налаштовувані драйвери цифрових затворів AgileSwitch®.
Ці пристрої SiC мають високу надійність, що забезпечує термін служби оксиду затвора не менше 100 років (прогнозні дані), а SiC-діоди не піддаються деградації. Технологія SiC забезпечує вищу ефективність системи, питому потужність і температурну стабільність порівняно з кремнієвими біполярними транзисторами з ізольованим затвором (IGBT) у застосуваннях високої потужності.
Приклад роботи з MPLAB SiC Power Simulator
Розглянемо приклад роботи з програмою MPLAB SiC Power Simulator на прикладі проєктування DC/DC-перетворювача потужністю 2 кВт.
Для початку роботи з програмою переходимо за посиланням, вказаним у . У вікні, що відкрилося, слід натиснути кнопку Go to MPLAB SiC Power Simulator (рис. 1). Після цього відкривається сторінка з вибором типу перетворювача, показана на рис. 2.
Для прикладу виберемо проєктування понижувального зворотньоходового DC/DC-перетворювача – Flyback Converter. Як тільки буде позначено цей пункт, відкривається сторінка з топологією перетворювача (рис. 3).
Нажавши стрілку в правому нижньому куті екрана, переходимо на сторінку встановлення параметрів перетворювача та вибору силового транзистора, як показано на рис. 4.
Вибір транзистора
У нижній частині екрана виводяться вимоги до параметрів силового транзистора та перелік доступних для використання транзисторів із зазначенням основних параметрів. У переліку доступно 21 транзистор (на рис. 4 показано фрагмент переліку). У параметрах вказані:
- допустима зворотна напруга;
- опір відкритого каналу при температурі 25 °С;
- максимальний допустимий струм при температурі 25 °С;
- тип корпусу та посилання на даташит.
Виберемо для розрахунку транзистор MSC015SMA070B. Як тільки він буде позначений, відкривається сторінка з топологією та параметрами перетворювача та зображенням корпусу транзистора (рис. 5).
Якщо натиснути кнопку Change, то знову відкриється список доступних транзисторів і можна вибрати інший прилад. Якщо натиснути стрілку в правому нижньому куті екрана, то здійснюється перехід на сторінку з конфігурацією силового транзистора (рис. 6).
Температурні параметри
На сторінці вказано число паралельно включених транзисторів, опір резистора в ланцюзі затвора і пропонується вибір опору відкритого каналу — номінальне або максимальне значення. Для вибраного типу транзистора номінальне значення опору відкритого каналу становить 15 мОм, максимальне значення 19 мОм. Вибираємо максимальне значення, натискаємо кнопку переходу на наступну сторінку в правій нижній частині сторінки. На сторінці, що відкрилася (рис. 7), можна змінити значення теплового опору Rth,ch і вибрати режим роботи — при фіксованій температурі або при фіксованій температурі навколишнього середовища. У нижній частині сторінки вказано фіксоване значення температури.
Якщо вибрати аналіз при фіксованій температурі навколишнього середовища, необхідно ввести додатково значення температури навколишнього середовища, тепловий опір і постійну часу радіатора.
Після натискання кнопки в правому нижньому кутку екрана (приблизно через 15-20 секунд) відкривається сторінка (мал. 8) з топологією та заданими параметрами перетворювача.
Для отримання результатів моделювання слід натиснути кнопку Simulate і через кілька секунд на екран виводиться інформація, наведена на рис. 9.
Результати моделювання ілюструються графіками зміни в часі напруг і струмів у різних точках перетворювача, а також графіком залежності температури переходу транзистора в часі.
З отриманих результатів випливає, що при частоті перетворення 20 кГц отримано такі параметри:
- максимальна температура силового транзистора 99.4 °С при температурі навколишнього середовища 75 °С;
- втрати потужності транзистора на перемикання 20.29 Вт;
- втрати потужності на діоді 51.51 Вт;
- ККД становить 96.29 %.
Крім того, виводиться інформація про втрати потужності на транзисторі при закритому та відкритому каналі.
Після натискання кнопки в правому нижньому куті сторінки відкривається остання сторінка, на якій виведено всі параметри перетворювача (на рис. 10 показано фрагмент цієї сторінки).
Натиснувши значок принтера, можна отримати повну копію цієї сторінки у форматі pdf або на папері.
На будь-якому етапі роботи з програмою можна повернутися назад і змінити параметри моделювання. Звичайно, це попередній розрахунок потенційних можливостей такого перетворювача. Необхідно вибрати драйвер затвора, конденсатори, котушку індуктивності та діоди з параметрами, вказаними на рис. 9.
Але якщо врахувати, що моделювання займає всього кілька хвилин, то використання цієї програми дозволить значно скоротити час для прийняття рішення про вибір силового транзистора та топологію перетворювача.
