LTspice 是一个非常有用的电路仿真工具，可以做晶体管级和功率级电路的设计和仿真，不仅可以使用SPICE语言用来构建器件的模型，还可以用于预先验证设计和分析电路问题。本文以Wolfspeed的SiC功率模块和同步BUCK电路拓扑结构为主体分析对象，主要和大家分享和讨论使用LTspice这类软件分析电路问题的一般方法和技巧。
一、 评估指标
1.1 静态/动态参数
碳化硅MOSFET的静态和动态参数通常包括以下几方面，这些参数是评估SiC功率器件性能的重要指标。
漏电流：在关闭状态下，器件的漏电流非常小，通常以纳安（nA）或皮安（pA）为单位。 阈值电压：指器件开始导通的电压。 饱和电压：指器件在导通状态下的最小电压。 开启电压：指在关断状态下，器件开始导通所需的电压。 关断电压：指在导通状态下，器件开始关断所需的电压。 导通电阻：导通状态下的电阻。SiC-MOSFET导通电阻通常很低。 关断电流：在关断过程中，器件的电流。
8． 开启时间和关断时间：指器件从关断到导通或从导通到关断所需的时间。
9． 在多个SiC-MOSFET并联应用中，为了避免短路，需要在一个MOSFET关闭后一段时间内保持其他MOSFET处于关闭状态。这段时间被称为死区时间。
10．开关过程中由于导通和关断带来的能量损耗。这是通过衡量开关过程中的电流和电压波形来评估的。
1.2 输出特性
一个基本电源电路设计中标准的性能评估要素包括：输出纹波电压、转换效率、电源启动时，检查输出电压过冲情况和浪涌电流、SW 节点波形、输出瞬态响应等。而对于碳化硅功率模块比较重要的一点是，其输出特性通常会受到温度影响。随着温度的变化，其输出电压和电流可能会有所变化。因此，温度特性描述了模块在不同温度下的输出表现。当变换器中使用到了宽禁带功率半导体器件后其转换效率会有所增加，对电路设计人员来说，使用 LTspice对电路进行分析，能够方便且轻松地进行基本特性的手动计算。
二、模型建立
2.1 同步BUCK电路模型
如图2-1所示、异步BUCK电路主要有MOSFET场效应管（Q1）、功率二极管（D1）、电感（L1）、输入电容（C1）、输出电容（C2）、负载（RL）、组成；用MOSFET场效应管（Q2）替换功率二极管（D1）就组成了同步BUCK电路，如图2-2所示。在同等条件下、同步BUCK电路与异步BUCK电路相比。同步BUCK电路用更高的转换效率，使用MOSFET场效应管（Q2）替换功率二极管（D1），是因为D1存在相对较高的电压降，使得电流流过时会产生较大的损耗、而MOSFET场效应管的导通电阻Rds_(on)和开关产生的损耗相对低。因而同步BUCK电路效率相对高。
异步BUCK电路
同步BUCK电路
2.2 基于器件的SPICE模型
首先我们明确一件事，在给器件建模，以及对建立好的器件模型进行电路仿真，我们一般需要用到SPICE模型语言。该模型是用来描述元件特性的代码，储存于库文件.lib内。而元件的符号定义（元件的几何图形）储存于.olb内。一般在器件网站上下载的SPICE模型都是没有.olb文件的。根据描述的器件种类，模型分为模型参数序和子电路网表这两类，这两类模型都是基于特定的语法并用一段文本来表述的。在本帖中，笔者使用Wolfspeed的SiC功率模块（CAS120M12BM2，CAS300M17BM2等）的SPICE模型为例，从官网的模型库可以下载或购对应的型号，网站上提供了两种模型类型：一个LTspice库文件和一个单独的SPICE文件。单个SPICE文件在每个.cir文件中只包含单个模块模型，其可定制性有限。然而，语法是通用的，可以导入到其他SPICE软件。在每个文件夹中，为LTspice提供了示例电路和每个部件的推荐符号。用户可以在其他SPICE软件上设计模型和电路。
相较于硅器件，碳化硅MOSFET器件的模型是复杂的，在任意母线电压、负载电流、温度和栅极电阻下的都难以准确预测。此外，栅极驱动器和PCB电路板中可能存在的EMI问题不难以在LTspice电路建模中体现。SiC器件的关键参数包括寄生电感、每个开关位置的栅极与漏极之间的寄生电容、负载电感的寄生电容以及栅极驱动器的寄生电阻等。所以有必要通过该SPICE语言来建立复杂器件的模型。
至于SPICE仿真语言的描述，这里也简单介绍一下。我们以软件中的“.meas” 命令，即 .meas TRAN A pp V(out) from 0.6m to 1.5m，以下对该命令进行说明：
.meas：用于根据模拟结果进行测量的命令
TRAN：在运行 Transient 分析模拟时使用
A：测量结果名称 (随意命名，目的是多个结果情况下容易辨认)
pp：求得 peak to peak (最大和最小差值）
V(out)：输出节点电压
from 0.6m to 1.5m：0.6 ms到1.5ms之间
目前器件的SPICE建模流行的语言是Verilog-A语言，大家可以自行学习一下，对设计模拟电路和理解器件模型还是很有帮助的。
三、样例分析
3.1 用 LTspice 分析模块动态性能参数
使用LTspice搭建同步BUCK拓扑的基本结构和驱动参数如下图所示：
同步BUCK拓扑
SiC模块驱动端电路参数
同步BUCK的相关动态参数如下图所示，其中包括用于评估器件开关特性的IDS，VGS和VDS。
VDS波形图
IDS波形图
VGS波形图
SiC-MOSFET4组结温曲线
负载电流的FFT图
3.2 用 LTspice 分析输出纹波电压
降压转换器的输出纹波电压可通过下式估算：左侧为纹波电压设计目标值 ΔVout，右侧由输出电容 Cout、其 ESR 值、电感纹波电流值 ΔIL 和 IC 工作频率f组成。
作为一种设计方法，对左侧的目标值，用右侧的公式估算实际纹波电压值，并进行 Cout 等调整，直到满足公式。 由于使用的部件存在差异，并且 ΔIL 会根据输入电压的变化而变化，因此存在多种计算模式，需花费一些时间和精力。
通过 LTspice 进行以下操作，可以直观地看到纹波电压：
第一步：将鼠标移动到上图 5V 波形中的红框处；
第二步：左键单击并拖动要测量的区域；
重复步骤二，直到可以清楚地看到几个周期的波形，如下图所示：
若放大波形的垂直范围不能很好地拟合，左键单击工具栏上 “Autorange” 图标，自动调整范围。如下图所示：
虽然可以通过上文被放大的波形中读取大概的纹波电压值，但为了查看准确的数字，需按照以下步骤操作：
第一步：左键单击要测量的范围的一个点，将其拖动到另一点，如下图所示：
第二步：在窗口左下方的状态栏中查看dx和dy测量数据。
如果要观察 C2 ，电感 L 和栅源电压VGS发生的细微变化，在 LTspice 上更改相关部分的属性，然后再次运行仿真检查 ΔVOUT即可。此外，如果不习惯鼠标操作，可以在波形上添加光标进行测量。详情请在菜单栏的“Help”->“Help Topics” 中搜索 “attached cursors”。
3.3 用 LTspice 自动进行实时效率的计算
在SiC器件开关 与寄生元件耦合过程中，由于其高开关频率而 引起较大的dv/dt和di/dt，且SiC的高频特性导致其对干扰信号更敏感，这会导致 栅极电压出现振荡进而引起器件的误导通现象，而且有可能出现评估板不可用，或者评估版不满足使用规格的情况。下文将介绍如何估算和模拟电源的转换效率。
以上述电路为例，这部分将介绍 LTspice 的自动计算效率方法。通过测量输入 / 输出电压和电流，并将数据代入以下公式来计算DC-DC转换器的效率：VOUT 和 IOUT 为输出电压和输出电流、VIN 和 IIN为输入电压和输入电流。
3.3 用 LTspice 自动进行实时效率的计算
在 LTspice 中，在计算 DC-DC 转换器的效率时，电路的输入电压源被视为输入功率 (VIN*IIN)，而输出电流源或 RL 中指定的电阻是输出功率 (VOUT * IOUT)。LTspice 自动检测电路的稳态，使用稳态约 10 个周期的数据计算功率损耗等，并自动计算电路的转换效率。
按以下操作将稳态检测设置添加到正常时域 .tran 分析设置中即可：
第一步：打开菜单栏 “Simulate” 下的 “Edit simulation cｍd”，勾选 “Stop simulating if steady state is detected” 复选框，再次运行仿真，如下图所示：
菜单栏中选择“Simulate”
打开Edit simulation cmd
第二步：该模拟的完成状态与通常的 .tran 分析不同，在输出电压扩大的状态下停止。使用鼠标在菜单栏 “View” → “Efficiency Report” 中选择 “Show on schematic”，计算结果显示在原理图底部。如下图所示，这样一来LTspice 不仅计算了效率的最终结果，还计算了包括 IC 在内的每个外围组件的消耗量。当我们想要提高效率的时候，它能够提示应该进一步减少哪些元器件的损耗。
查看效率报告
四、总结
LTspice可用于预测宽禁带功率半导体器件在变换器系统中的详细瞬态行为，以估计电压过冲、电流，结温度等。由于外设参数极易变化，因此LTspice非常便于制作电路板前检查特性，同时优化外设常数。下一章会讲到碳化硅模块再双脉冲测试下的LTspice的分析。笔者目前致力于宽禁带功率半导体器件和应用的研究，后续笔者会陆续更新碳化硅与氮化镓的相关内容，会涉及到SPICE模型建立，分立器件测试驱动电路设计等等，欢迎相关朋友和同行一起交流，共同进步！
