Wichtigste Erkenntnisse
- Eine genaue Simulation der Leistungselektronik hängt mehr vom Umfang des Modells und der Validierungsmethodik ab als von zusätzlicher Komplexität.
- Gerätegenauigkeit, parasitäre Effekte, Zeitauflösung und die Regelung des stationären Zustands bestimmen die meisten Wellenform- und Verlustfehler in Umrichteruntersuchungen.
- Zuverlässige Ergebnisse erhält man, indem man das Modell anhand der Leistungsbilanz und unabhängiger Referenzdaten überprüft, bevor man die Diagramme als korrekt akzeptiert.
Eine präzise Simulation der Leistungselektronik beginnt mit der Festlegung des Modellzwecks.
Die meisten Konverterfehler sind auf eine ungeeignete Konfiguration zurückzuführen und nicht auf mangelnde Komplexität. Wenn Sie zunächst das Untersuchungsziel festlegen, wählen Sie den richtigen Modelldetaillierungsgrad, die richtige Zeitauflösung und die richtigen Prüfungen für die Genauigkeit der Wellenform, die Verluste und die Stabilität.
„Diese sieben Vorgehensweisen beheben die Einstellungsfehler, die die Ergebnisse des Konverters am häufigsten verfälschen.“
Die Genauigkeit der Simulation in der Leistungselektronik hängt in erster Linie vom Verwendungszweck des Modells ab
Eine Simulation in der Leistungselektronik ist dann zuverlässig, wenn das Modell eine klare technische Frage beantwortet. Diese Frage bestimmt den erforderlichen Genauigkeitsgrad. Sie legt auch die akzeptable Laufzeit fest. Wenn das Ziel klar definiert ist, ist es weitaus unwahrscheinlicher, dass man ein Modell auf eine falsche Wellenform abstimmt.
Eine Rippel-Schätzung für eine Buck-Stufe erfordert andere Details als eine thermische Überprüfung für einen Wechselrichterzweig. Bei der einen Untersuchung geht es um Schaltflanken und passive Werte, bei der anderen um Verlustgrößen und längere Betriebsfenster. Halten Sie diese Markierungen im Oszilloskop sichtbar, bevor Sie den Solver starten.
- Zielwellenform
- Betriebspunkt
- Erforderliche Genauigkeit
- Zeitfenster
- Erfolgs- oder Misserfolgsprüfung
Diese 7 Vorgehensweisen verbessern die Genauigkeit bei der Simulation von Leistungselektronik
Diese sieben Vorgehensweisen beheben die Einstellungsfehler, die die Ergebnisse des Konverters am häufigsten verfälschen. Jede einzelne beseitigt eine bestimmte Ursache für Abweichungen zwischen dem Modell und der Schaltung. Wenden Sie sie nach Möglichkeit der Reihe nach an. Diese Reihenfolge sorgt dafür, dass Ihre Simulation der Leistungselektronik auf messbarem Verhalten basiert.
1. Passen Sie die Gerätemodelle an den Betriebsbereich des Wandlers an
Die Wahl des Gerätemodells sollte sich nach der Schaltgeschwindigkeit, der Spannungsbelastung, dem Temperaturbereich und der benötigten Ausgangsleistung richten. Ein einfacher Schalter mit festem Durchlasswiderstand eignet sich für die Regelungsoptimierung in einem Niederfrequenz-Chopper. Dasselbe Modell berücksichtigt jedoch nicht die Rückwärtserholung und die Auswirkungen der Ausgangskapazität in einer hartgeschalteten Siliziumkarbid-Brücke. Zudem erhalten Sie während der Kommutierung falsche Stromspitzen und eine falsche Verlustverteilung. Wenn sich Ihre Untersuchung auf das durchschnittliche Tastverhältnis konzentriert, reichen kompakte Modelle aus. Wenn Sie Einschaltverluste, Diodenschnapp-Effekte oder dv/dt-Belastungen benötigen, muss das Gerätemodell diese Mechanismen enthalten. Die Modellgenauigkeit sollte nur dann erhöht werden, wenn das Untersuchungsziel dies erfordert, da sonst die Rechenzeit steigt, ohne dass die Genauigkeit verbessert wird.
2. Parasitische Werte anhand der gemessenen Layoutdaten festlegen
Parasitäre Effekte beeinflussen die Schaltverläufe weitaus stärker, als viele erste Modellansätze vermuten lassen. Eine Halbbrücke mit idealen Verbindungen kann stabil und sauber erscheinen, dann aber auf dem Prüfstand stark schwingen, weil die Schleifeninduktivität außer Acht gelassen wurde. Schon wenige Nanohenry im Kommutierungspfad verändern das Überschwingen, die Stromanstiegsgeschwindigkeit und die Belastung der Dioden. Auch der ESR und die ESL im Zwischenkreiskondensator verändern die Spannung, die an den Bauelementen während der Flankenübergänge anliegt. Man kann diese Werte nicht aus Schaltplänen in Lehrbüchern ableiten und eine gute Übereinstimmung erwarten. Beziehen Sie sie nach Möglichkeit aus Layout-Schätzungen, Herstellerangaben oder gemessenen Impedanzen. Sobald die parasitären Effekte realistisch berücksichtigt werden, verbirgt die Simulation nicht mehr die Resonanzen, die Ihre Hardware tatsächlich aufweisen wird.
3. Wählen Sie Solver-Schritte aus, die jedes Schaltereignis auflösen
Die Wahl des Zeitschritts bestimmt, ob der Solver die physikalischen Vorgänge erfasst, die Sie untersuchen möchten. Ein Schritt, der Ein- oder Ausschaltintervalle überspringt, glättet scharfe Übergänge und unterschätzt die Spitzenspannung. Ein 100-kHz-Wandler mit einer Flankenaktivität von 50 ns erfordert eine wesentlich feinere Auflösung, als es die Schaltperiode allein vermuten lässt. Dasselbe Modell kann bei einer Schrittweite vollkommen stabil und bei einer anderen eindeutig instabil erscheinen. Läufe mit festem Schritt sind nützlich für die Wiederholbarkeit, doch der Schritt muss dennoch Totzeit, Diodenrücklauf und schmale Impulse erfassen. Läufe mit variablem Schritt können helfen, doch lockere Toleranzen werden schnelle Ereignisse weiterhin überdecken. Wenn sich die Wellenformen nicht mehr ändern, wenn Sie den Schritt verkleinern, sind Sie nahe an einer vertretbaren Einstellung.
4. Beginnen Sie mit einem stationären Zustand, bevor Sie die Wellenformen aufzeichnen
Wellenformen sind nur dann aussagekräftig, wenn sich der Wandler auf den zu untersuchenden Betriebspunkt eingependelt hat. Wenn Sie eine Verlustanalyse bei Nullstrom und Null-Kondensatorspannung starten, werden die ersten Zyklen durch das Anlaufverhalten verfälscht. Dadurch erscheinen Stromwelligkeit, Schaltbelastungen und die durchschnittliche Leistung schlechter oder besser, als sie tatsächlich sind. Ein Aufwärtswandler mit einem Tastverhältnis nahe 70 % benötigt unter Umständen viele Zyklen, bevor der Induktionsstrom und die Ausgangsspannung nicht mehr schwanken. Es lohnt sich, zunächst ein Einlauffenster durchlaufen zu lassen und dann Daten zu erfassen, nachdem die Einschwingphase abgeklungen ist. Sie sparen Zeit bei der Analyse, da das gemessene Intervall tatsächlich den Zielmodus widerspiegelt. Außerdem ist der Vergleich mit Messungen auf dem Prüfstand, die nach der Stabilisierung der Hardware aufgenommen wurden, einfacher.
5. Modellierung des Gate-Ansteuerungsablaufs mit realistischer Totzeit
Gatesignale sind Teil des Leistungsstufenmodells, da Timing-Fehler die Leitungswege direkt beeinflussen. Ideale komplementäre Impulse ohne Verzögerung können das Risiko eines Shoot-Through verbergen oder die Körperdiodenleitung ausblenden, die in der Hardware auftritt. Eine synchrone Buck-Stufe zeigt dies deutlich, wenn eine Totzeit von einigen zehn Nanosekunden den Strom vom Kanal in die Diode verlagert. Diese Verlagerung wirkt sich auf den Wirkungsgrad, die Rücklaufzeit und die Bauteil-Temperatur aus. Beschränken Sie sich auch nicht auf die nominelle Totzeit. Berücksichtigen Sie auch Ausbreitungsverzögerungsabweichungen, Unterschiede bei Anstiegs- und Abfallzeiten sowie Gate-Widerstandseffekte, wenn diese Faktoren für die Untersuchung relevant sind. Wenn Ihr Timing-Modell zu „sauber“ ist, werden auch die elektrischen Ergebnisse zu „sauber“ ausfallen.
6. Überprüfen Sie die Verluste anhand der Energiebilanz für jeden Zyklus
Verlustschätzungen werden glaubwürdiger, wenn sie mit einer einfachen Energiebilanz übereinstimmen. Die durchschnittliche Eingangsleistung sollte mit der Ausgangsleistung plus der Änderung der gespeicherten Energie plus den Verlusten über das erfasste Intervall übereinstimmen. Wenn diese Werte nicht übereinstimmen, liegt das Problem häufig an einem Vorzeichenfehler, einem zu kurzen Mittelungsfenster oder fehlenden Leitungs- und Schaltverlusten. Eine phasenverschobene Vollbrücke kann plausible Schaltverluste anzeigen, während die Gesamtleistung dennoch nicht ausgeglichen ist, weil magnetische Verluste oder Snubber-Verluste nicht berücksichtigt wurden. Führen Sie zyklusbasierte Überprüfungen durch, bevor Sie den thermischen Ergebnissen vertrauen. Dies ist ein schneller Weg, um versteckte Fehler aufzudecken. Sobald die Leistungsbilanz ausgeglichen ist, stehen alle nachfolgenden Temperatur- oder Wirkungsgradberechnungen auf einer solideren Grundlage.
„Sobald die Leistungsbilanz ausgeglichen ist, stehen alle nachfolgenden Temperatur- oder Wirkungsgradberechnungen auf einer solideren Grundlage.“
7. Vergleichen Sie die Kurven mit unabhängigen Referenzergebnissen
Validierung bedeutet, das Modell mit etwas außerhalb des Modells selbst zu vergleichen. Messungen am Prüfstand sind am aussagekräftigsten, aber auch analytische Überprüfungen, Herstellerkurven und von Fachkollegen geprüfte Referenzfälle sind hilfreich. Eine Diodenstromkurve, die zwar in ihrer Form Ihren Erwartungen entspricht, bei der jedoch der Rücklaufspitzenwert fehlt, besteht die Validierung nicht. Dasselbe gilt für Wirkungsgradergebnisse, die zwar glatt aussehen, bei geringer Last jedoch die gemessenen Durchlassverluste nicht berücksichtigen. Die offene Modellprüfung ist hier wichtig, da Sie nachvollziehen müssen, was jede einzelne Gleichung bewirkt. SPS SOFTWARE eignet sich gut für diesen Schritt, da die Komponentenmodelle transparent genug sind, um Parameter, Gleichungen und Annahmen zu überprüfen, anstatt den Block als geschlossene Box zu behandeln.
| Worauf man sich konzentrieren sollte | Was diese Vorgehensweise gewährleistet |
|---|---|
| 1. Passen Sie die Gerätemodelle an den Betriebsbereich des Wandlers an | Das gewählte Modell muss nur die Schalteffekte enthalten, die für das Untersuchungsziel von Bedeutung sind. |
| 2. Parasitische Werte anhand der gemessenen Layoutdaten festlegen | Gemessene oder geschätzte parasitäre Effekte in Verbindungsleitungen und passiven Bauteilen verhindern, dass Schwingungen und Überschwingen verdeckt werden. |
| 3. Wählen Sie Solver-Schritte aus, die jedes Schaltereignis auflösen | Die Zeitauflösung muss hoch genug sein, um schmale Impulse und Details der Kommutierung zu erfassen. |
| 4. Beginnen Sie mit einem stationären Zustand, bevor Sie die Wellenformen aufzeichnen | Nur festgelegte Betriebsintervalle sollten als Grundlage für die Überprüfung von Welligkeit, Belastung, Wirkungsgrad und Verlusten dienen. |
| 5. Modellierung des Gate-Ansteuerungsablaufs mit realistischer Totzeit | Die zeitlichen Details bestimmen, welches Gerät den Strom führt und wie hoch die Schaltbelastungen ausfallen. |
| 6. Überprüfen Sie die Verluste anhand der Energiebilanz für jeden Zyklus | Die Leistungsbilanz deckt fehlende Terme und fehlerhafte Mittelwertbildung auf, bevor man den thermischen Ergebnissen vertrauen kann. |
| 7. Vergleichen Sie die Kurven mit unabhängigen Referenzergebnissen | Unabhängige Überprüfungen verhindern, dass ein sauberes Modell akzeptiert wird, wenn seine physikalischen Eigenschaften noch nicht mit dem gemessenen Verhalten übereinstimmen. |
Wie lassen sich diese Methoden auf Konverter-Studien anwenden?
Beginnen Sie jede Konverter-Analyse mit einem Betriebspunkt, einem Kriterium für „bestanden“ oder „nicht bestanden“ und einem Validierungsziel. Diese einfache Struktur sorgt dafür, dass das Modell auf den richtigen Umfang beschränkt bleibt. Außerdem gibt sie vor, welche Details Sie berücksichtigen sollten. Sie erhalten schneller aussagekräftige Ergebnisse, da jede Wahl bei der Konfiguration einem definierten Zweck dient.
Ein Buck-Wandler für den Unterricht, ein Wechselrichter im Labormaßstab und ein Forschungsprototyp folgen alle denselben Prinzipien, auch wenn sie sich in ihrer Komplexität unterscheiden. Legen Sie das Studienziel fest, beziehen Sie nur die physikalischen Faktoren ein, die dieses Ziel beeinflussen, und überprüfen Sie anschließend die Solver-Einstellungen, das Timing, die parasitären Effekte und die Leistungsbilanz, bevor Sie den Diagrammen Glauben schenken. SPS SOFTWARE unterstützt diese Art der Arbeit hervorragend, da transparente Modelle es erleichtern, jede Annahme zu überprüfen, zu hinterfragen und zu verfeinern.
