LTspice 是一個非常有用的電路仿真工具，可以做晶體管級和功率級電路的設計和仿真，不僅可以使用SPICE語言用來構建器件的模型，還可以用于預先驗證設計和分析電路問題。本文以Wolfspeed的SiC功率模塊和同步BUCK電路拓撲結構為主體分析對象，主要和大家分享和討論使用LTspice這類軟件分析電路問題的一般方法和技巧。
一、 評估指標
1.1 靜態/動態參數
碳化硅MOSFET的靜態和動態參數通常包括以下幾方面，這些參數是評估SiC功率器件性能的重要指標。
漏電流：在關閉狀態下，器件的漏電流非常小，通常以納安（nA）或皮安（pA）為單位。 閾值電壓：指器件開始導通的電壓。 飽和電壓：指器件在導通狀態下的最小電壓。 開啟電壓：指在關斷狀態下，器件開始導通所需的電壓。 關斷電壓：指在導通狀態下，器件開始關斷所需的電壓。 導通電阻：導通狀態下的電阻。SiC-MOSFET導通電阻通常很低。 關斷電流：在關斷過程中，器件的電流。
8． 開啟時間和關斷時間：指器件從關斷到導通或從導通到關斷所需的時間。
9． 在多個SiC-MOSFET并聯應用中，為了避免短路，需要在一個MOSFET關閉后一段時間內保持其他MOSFET處于關閉狀態。這段時間被稱為死區時間。
10．開關過程中由于導通和關斷帶來的能量損耗。這是通過衡量開關過程中的電流和電壓波形來評估的。
1.2 輸出特性
一個基本電源電路設計中標準的性能評估要素包括：輸出紋波電壓、轉換效率、電源啟動時，檢查輸出電壓過沖情況和浪涌電流、SW 節點波形、輸出瞬態響應等。而對于碳化硅功率模塊比較重要的一點是，其輸出特性通常會受到溫度影響。隨著溫度的變化，其輸出電壓和電流可能會有所變化。因此，溫度特性描述了模塊在不同溫度下的輸出表現。當變換器中使用到了寬禁帶功率半導體器件后其轉換效率會有所增加，對電路設計人員來說，使用 LTspice對電路進行分析，能夠方便且輕松地進行基本特性的手動計算。
二、模型建立
2.1 同步BUCK電路模型
如圖2-1所示、異步BUCK電路主要有MOSFET場效應管（Q1）、功率二極管（D1）、電感（L1）、輸入電容（C1）、輸出電容（C2）、負載（RL）、組成；用MOSFET場效應管（Q2）替換功率二極管（D1）就組成了同步BUCK電路，如圖2-2所示。在同等條件下、同步BUCK電路與異步BUCK電路相比。同步BUCK電路用更高的轉換效率，使用MOSFET場效應管（Q2）替換功率二極管（D1），是因為D1存在相對較高的電壓降，使得電流流過時會產生較大的損耗、而MOSFET場效應管的導通電阻Rds_(on)和開關產生的損耗相對低。因而同步BUCK電路效率相對高。
異步BUCK電路
同步BUCK電路
2.2 基于器件的SPICE模型
首先我們明確一件事，在給器件建模，以及對建立好的器件模型進行電路仿真，我們一般需要用到SPICE模型語言。該模型是用來描述元件特性的代碼，儲存于庫文件.lib內。而元件的符號定義（元件的幾何圖形）儲存于.olb內。一般在器件網站上下載的SPICE模型都是沒有.olb文件的。根據描述的器件種類，模型分為模型參數序和子電路網表這兩類，這兩類模型都是基于特定的語法并用一段文本來表述的。在本帖中，筆者使用Wolfspeed的SiC功率模塊（CAS120M12BM2，CAS300M17BM2等）的SPICE模型為例，從官網的模型庫可以下載或購對應的型號，網站上提供了兩種模型類型：一個LTspice庫文件和一個單獨的SPICE文件。單個SPICE文件在每個.cir文件中只包含單個模塊模型，其可定制性有限。然而，語法是通用的，可以導入到其他SPICE軟件。在每個文件夾中，為LTspice提供了示例電路和每個部件的推薦符號。用戶可以在其他SPICE軟件上設計模型和電路。
相較于硅器件，碳化硅MOSFET器件的模型是復雜的，在任意母線電壓、負載電流、溫度和柵極電阻下的都難以準確預測。此外，柵極驅動器和PCB電路板中可能存在的EMI問題不難以在LTspice電路建模中體現。SiC器件的關鍵參數包括寄生電感、每個開關位置的柵極與漏極之間的寄生電容、負載電感的寄生電容以及柵極驅動器的寄生電阻等。所以有必要通過該SPICE語言來建立復雜器件的模型。
至于SPICE仿真語言的描述，這里也簡單介紹一下。我們以軟件中的“.meas” 命令，即 .meas TRAN A pp V(out) from 0.6m to 1.5m，以下對該命令進行說明：
.meas：用于根據模擬結果進行測量的命令
TRAN：在運行 Transient 分析模擬時使用
A：測量結果名稱 (隨意命名，目的是多個結果情況下容易辨認)
pp：求得 peak to peak (最大和最小差值）
V(out)：輸出節點電壓
from 0.6m to 1.5m：0.6 ms到1.5ms之間
目前器件的SPICE建模流行的語言是Verilog-A語言，大家可以自行學習一下，對設計模擬電路和理解器件模型還是很有幫助的。
三、樣例分析
3.1 用 LTspice 分析模塊動態性能參數
使用LTspice搭建同步BUCK拓撲的基本結構和驅動參數如下圖所示：
同步BUCK拓撲
SiC模塊驅動端電路參數
同步BUCK的相關動態參數如下圖所示，其中包括用于評估器件開關特性的IDS，VGS和VDS。
VDS波形圖
IDS波形圖
VGS波形圖
SiC-MOSFET4組結溫曲線
負載電流的FFT圖
3.2 用 LTspice 分析輸出紋波電壓
降壓轉換器的輸出紋波電壓可通過下式估算：左側為紋波電壓設計目標值 ΔVout，右側由輸出電容 Cout、其 ESR 值、電感紋波電流值 ΔIL 和 IC 工作頻率f組成。
作為一種設計方法，對左側的目標值，用右側的公式估算實際紋波電壓值，并進行 Cout 等調整，直到滿足公式。 由于使用的部件存在差異，并且 ΔIL 會根據輸入電壓的變化而變化，因此存在多種計算模式，需花費一些時間和精力。
通過 LTspice 進行以下操作，可以直觀地看到紋波電壓：
第一步：將鼠標移動到上圖 5V 波形中的紅框處；
第二步：左鍵單擊并拖動要測量的區域；
重復步驟二，直到可以清楚地看到幾個周期的波形，如下圖所示：
若放大波形的垂直范圍不能很好地擬合，左鍵單擊工具欄上 “Autorange” 圖標，自動調整范圍。如下圖所示：
雖然可以通過上文被放大的波形中讀取大概的紋波電壓值，但為了查看準確的數字，需按照以下步驟操作：
第一步：左鍵單擊要測量的范圍的一個點，將其拖動到另一點，如下圖所示：
第二步：在窗口左下方的狀態欄中查看dx和dy測量數據。
如果要觀察 C2 ，電感 L 和柵源電壓VGS發生的細微變化，在 LTspice 上更改相關部分的屬性，然后再次運行仿真檢查 ΔVOUT即可。此外，如果不習慣鼠標操作，可以在波形上添加光標進行測量。詳情請在菜單欄的“Help”->“Help Topics” 中搜索 “attached cursors”。
3.3 用 LTspice 自動進行實時效率的計算
在SiC器件開關 與寄生元件耦合過程中，由于其高開關頻率而 引起較大的dv/dt和di/dt，且SiC的高頻特性導致其對干擾信號更敏感，這會導致 柵極電壓出現振蕩進而引起器件的誤導通現象，而且有可能出現評估板不可用，或者評估版不滿足使用規格的情況。下文將介紹如何估算和模擬電源的轉換效率。
以上述電路為例，這部分將介紹 LTspice 的自動計算效率方法。通過測量輸入 / 輸出電壓和電流，并將數據代入以下公式來計算DC-DC轉換器的效率：VOUT 和 IOUT 為輸出電壓和輸出電流、VIN 和 IIN為輸入電壓和輸入電流。
3.3 用 LTspice 自動進行實時效率的計算
在 LTspice 中，在計算 DC-DC 轉換器的效率時，電路的輸入電壓源被視為輸入功率 (VIN*IIN)，而輸出電流源或 RL 中指定的電阻是輸出功率 (VOUT * IOUT)。LTspice 自動檢測電路的穩態，使用穩態約 10 個周期的數據計算功率損耗等，并自動計算電路的轉換效率。
按以下操作將穩態檢測設置添加到正常時域 .tran 分析設置中即可：
第一步：打開菜單欄 “Simulate” 下的 “Edit simulation cｍd”，勾選 “Stop simulating if steady state is detected” 復選框，再次運行仿真，如下圖所示：
菜單欄中選擇“Simulate”
打開Edit simulation cmd
第二步：該模擬的完成狀態與通常的 .tran 分析不同，在輸出電壓擴大的狀態下停止。使用鼠標在菜單欄 “View” → “Efficiency Report” 中選擇 “Show on schematic”，計算結果顯示在原理圖底部。如下圖所示，這樣一來LTspice 不僅計算了效率的最終結果，還計算了包括 IC 在內的每個外圍組件的消耗量。當我們想要提高效率的時候，它能夠提示應該進一步減少哪些元器件的損耗。
查看效率報告
四、總結
LTspice可用于預測寬禁帶功率半導體器件在變換器系統中的詳細瞬態行為，以估計電壓過沖、電流，結溫度等。由于外設參數極易變化，因此LTspice非常便于制作電路板前檢查特性，同時優化外設常數。下一章會講到碳化硅模塊再雙脈沖測試下的LTspice的分析。筆者目前致力于寬禁帶功率半導體器件和應用的研究，后續筆者會陸續更新碳化硅與氮化鎵的相關內容，會涉及到SPICE模型建立，分立器件測試驅動電路設計等等，歡迎相關朋友和同行一起交流，共同進步！
