Wichtigste Erkenntnisse

• Eine Snubber-Schaltung funktioniert am besten, wenn man ihre Dimensionierung an den gemessenen oder modellierten Überschwingen in der tatsächlichen Schleife mit hohem di/dt ausrichtet.
• Eine RC-Dämpfungsschaltung reduziert die Spannungsbelastung durch Dämpfung der Resonanz, doch die damit verbundenen Verluste und die Platzierungsinduktivität schränken ihren Nutzen erheblich ein.
• Eine frühzeitige Modellierung von Streuinduktivität, lokaler Kapazität und Schaltflanken ermöglicht Ihnen einen besseren Kompromiss zwischen Dämpfung und Wärmeentwicklung als nachträgliche Korrekturen auf dem Prüfstand.

Eine Dämpfungsschaltung schützt ein Schaltgerät nur dann, wenn sie auf die Streuinduktivität und den Spannungsüberschwinger im eigentlichen Kommutationskreis ausgelegt ist.

Viele Ingenieure fragen sich, was eine Snubber-Schaltung ist, nachdem sie auf dem Prüfstand ein Schwingen der Drain-Spannung beobachtet haben – doch dann ist es bereits zu spät. Eine Snubber-Schaltung ist ein kleines Schaltnetzwerk, häufig eine RC-Snubber-Schaltung, das der induktiven Energie beim Schalten einen kontrollierten Abflussweg bietet. Diese Kontrolle ist wichtig, da das Überschwingen auf den physikalischen Regelkreis zurückzuführen ist. Sie erzielen bessere Ergebnisse, wenn Sie den Snubber von Anfang an als Teil des Schaltpfades betrachten.

Schnelle Bauelemente haben dieser Disziplin eine größere Bedeutung verliehen. Bei Schaltern mit großer Bandlücke wurden in praktischen Leistungswandler Tests Steigraten von über 50 kV/μs gemessen. Sobald die Flanken so steil sind, erscheinen schon wenige Nanohenry nicht mehr als gering, und das Schwingen ist kein rein kosmetisches Problem mehr. Bei jedem Ausschalten des Schalters müssen Sie die Belastung des Bauelements, zusätzliche Verluste, Fehlauslösungen und die Sicherheitsmarge bis zum Durchschlag im Auge behalten.

Eine Snubber-Schaltung bietet Streuenergie einen kontrollierten Ableitungsweg

Eine Snubber-Schaltung bietet der in Streuinduktivitäten gespeicherten Energie einen Ausweg, wenn der Strom schnell wechseln muss. Dadurch werden Spitzenspannungen begrenzt und Schwingungen gedämpft. Eine RC-Snubber-Schaltung erreicht dies mithilfe eines Kondensators, der den ersten Spannungsspitzenwert auffängt, und eines Widerstands, der die aufgefangene Energie ableitet. Das Ergebnis ist eine geringere Belastung des Schalters.

Nehmen wir einen MOSFET auf der Niederspannungsseite einer Halbbrücke, der eine Motorwicklung speist. Es fließt Strom, das Bauelement schaltet ab, und die Schleifeninduktivität treibt die Drain-Spannung über die Bus-Spannung hinaus. Ein über das Bauelement geschalteter Kondensator verlangsamt den anfänglichen Spannungsanstieg, während der Widerstand verhindert, dass dieser Kondensator mit der Schleife in Schwingung gerät. Man verlässt sich nicht mehr darauf, dass die Lawinen-Spannungsfestigkeit des MOSFET jeden Layoutfehler auffängt.

Aus diesem Grund benötigen Leistungshalbleiter in vielen praktischen Anwendungen Snubber. Die Induktivität des Gehäuses, die Induktivität der Sammelschienen, Durchkontaktierungen und die Anordnung der Kondensatoren tragen alle zur gespeicherten Energie bei, die beim Schalten zum Tragen kommt. Ein Snubber kann ein schlechtes Layout zwar nicht allein beheben, aber er begrenzt die Auswirkungen dieses Layouts auf den Halbleiter. Das ist ein weitaus besseres Ziel, als nach einem fehlgeschlagenen Test wahllos Bauteile hinzuzufügen.

Der Spannungsüberschwinger beginnt beim Ausschalten mit der Schleifeninduktivität

Ein Spannungsüberschwingen beim Ausschalten entsteht dadurch, dass die Stromschleife versucht, den Stromfluss durch die Streuinduktivität aufrechtzuerhalten. Je schneller der Strom abfällt, desto größer ist die induzierte Spannung. Selbst eine saubere Gate-Ansteuerung kann diese physikalische Tatsache nicht verhindern. Man verringert das Überschwingen, indem man die Schleife verkleinert, die Flanke abflacht oder einen Snubber-Pfad hinzufügt.

Eine einfache rechnerische Überprüfung zeigt, wie wenig Induktivität schon ausreicht, um Probleme zu verursachen. Schon 10 nH Schleifeninduktivität erzeugen 50 V, wenn sich der Strom mit 5 A/ns ändert. Das reicht aus, um ein 650-V-Bauteil in einer 600-V-Bus-Anwendung gefährlich nahe an seine Grenze zu bringen. Ein Messverlauf mit einem Überschwingen von 80 V bis 120 V ist oft auf Geometrien zurückzuführen, die auf der Leiterplatte kaum zu erkennen sind.

Dies lässt sich in einem Doppelimpulstest beobachten. Eine kompakte, laminierte Busleitung und eine enge Entkopplung neigen weniger zu Schwingungen als eine lange Schleife, die sich über die gesamte Leiterplatte bis zum Großkondensator erstreckt. Der entscheidende Punkt ist, dass sich die störende Induktivität im Pfad mit hohem di/dt befindet. Sobald man diesen Pfad gefunden hat, erscheint das Überschwingen nicht mehr rätselhaft, sondern lässt sich messen.

Ein RC-Snubber funktioniert, indem er Schwingungen gegen Wärme eintauscht

Eine RC-Snubber-Schaltung wandelt hochfrequente Schwingungen in einem Widerstand in Wärme um. Der Kondensator nimmt bei einem Spannungssprung die erste Ladung auf, und der Widerstand leitet diese Energie über den Rest des Zyklus ab. Die Schwingamplitude nimmt ab, da die Resonanzschleife bei jeder Schwingung Energie verliert. Der Preis dafür sind konstante Schaltverluste.

Anhand einer Drain-Wellenform lässt sich dies leicht veranschaulichen. Ohne den Snubber könnte die Spannung an einem 400-V-Bus auf 520 V ansteigen und dann mehrere Zyklen lang schwingen, bevor sie sich einpendelt. Mit einem richtig dimensionierten RC-Netzwerk steigt die Spannung an diesem Knoten auf einen niedrigeren Spitzenwert an und pendelt sich nach ein oder zwei kleineren Schwankungen ein. Man nimmt dabei eine geringe Erwärmung des Widerstands in Kauf, damit der Halbleiter einer weitaus geringeren wiederholten Belastung ausgesetzt ist.

Der Einsatz eines solchen Schaltkreises lohnt sich in der Regel dann, wenn die Alternative eine Lawine, ein falsches Einschalten oder elektromagnetische Störungen ist, die in die Strommessung eindringen. Der Widerstandswert bestimmt die Dämpfung, während der Kondensatorwert festlegt, wie viel von der ersten Spannungsspitze absorbiert wird. Eine überdimensionierung beider Bauteile unterdrückt zwar das Schwingen, führt jedoch zu unnötigem Stromverbrauch. Bei einer guten Snubber-Auslegung muss stets abgewogen werden, welcher Überschwinger reduziert werden muss und welche zusätzlichen Verluste akzeptabel sind.

„Eine gut ausgelegte RC-Dämpfungsschaltung löst ein Spannungsproblem, ohne dass dabei ein Temperaturproblem neben dem Bauelement entsteht.“

Die Platzierung der Snubber sollte der Schleife mit dem höchsten di dt folgen

Die Platzierung des Snubbers ist am effektivsten, wenn das RC-Netzwerk direkt über dem Element angeordnet ist, bei dem die problematische Schleifeninduktivität auftritt. Der elektrische Abstand ist ebenso wichtig wie die Platzierung im Schaltplan, da die Verbindungsinduktivität den Stromfluss in den Snubber verzögert. Ein kleines Bauteil, das direkt über der Schaltschleife platziert wird, funktioniert in der Regel besser.

Stellen Sie sich einen MOSFET, seinen Diodenstrom-Kommutierungspfad und den nächstgelegenen Hochfrequenz-Entkopplungskondensator vor. In dieser kleinen Schleife entsteht die Spannungsspitze. Wenn der Snubber über lange Leiterbahnen mit einem ruhigeren Abschnitt des Busses verbunden ist, fließt der Schwingungsstrom dennoch durch dieselbe parasitäre Induktivität, bevor er den Snubber erreicht. Sie werden nur eine teilweise Verbesserung messen und sich fragen, warum die Berechnungen besser aussahen.

An dieser Stelle kommt die Modellierung zum Tragen, noch bevor die Hardware feststeht. Mit SPS SOFTWARE können Sie einen RC-Snubber gegen eine modellierte Streuinduktivität einsetzen und die Dämpfung anhand eines überprüfbaren Schaltungsmodells mit den zusätzlichen Verlusten vergleichen. Durch diesen Ansatz werden Layout und die Wahl des Snubbers zu einem einheitlichen Problem. So erkennen Sie schon früh, wann eine bessere Regelschleife einem größeren Widerstand stets überlegen ist.

Die Dimensionierung des MOSFET-Snubbers beginnt bei der gemessenen Schwingungsfrequenz

Die Dimensionierung eines Snubbers für einen MOSFET beginnt mit dem Schwingungsverhalten, das Sie bereits im tatsächlichen Regelkreis gemessen oder abgeschätzt haben. Die Schwingungsfrequenz gibt das LC-Paar vor, das Sie dämpfen müssen. In einem ersten Durchgang wird der Kondensator in der Regel nahe am Bereich der parasitären Kapazität eingestellt und anschließend der Widerstand so angepasst, dass eine kritische Dämpfung erreicht wird. Mit Laborversuchen lässt sich das Ergebnis dann verfeinern.

Ein praktischer Arbeitsablauf beginnt mit einer Doppelimpuls-Wellenform und den gemessenen Schaltdaten Ihrer Hardware. Sie erfassen die Schwingungsfrequenz nach dem Ausschalten, schätzen die Schleifeninduktivität oder die effektive Kapazität und wählen einen Kondensator aus, der die Resonanz deutlich verschiebt. Anschließend stellen Sie den Widerstand nahe der Quadratwurzel von L/C für die lokale Schleife ein und nehmen von dort aus Feinabstimmungen vor. Ein 10-MHz-Schwingung erfordert ein ganz anderes Netzwerk als eine 2-MHz-Schwingung, selbst bei gleicher Busspannung.

Die Verluste im Snubber müssen unterhalb der thermischen Reserve bleiben

Der Verlust im Snubber ist der Hauptfaktor für die Kosten einer besseren Dämpfung und muss innerhalb Ihrer thermischen Reserve liegen. Bei jedem Schaltzyklus wird der Snubber-Kondensator geladen und entladen. Diese Energie wird als Wärme im Widerstand abgegeben. Eine gut ausgelegte RC-Snubber-Schaltung löst ein Spannungsproblem, ohne dass dabei ein Temperaturproblem neben dem Bauelement entsteht.

Eine schnelle Schätzung sorgt für Realismus. Wenn der Snubber-Kondensator 470 pF an einem 400-V-Knoten bei 100 kHz beträgt, beträgt die Kondensatorenergie pro Zyklus 1/2CV², und die durchschnittliche Verlustleistung liegt schnell im Wattbereich, sobald beide Übergänge berücksichtigt werden. Das reicht aus, um einen kleinen Chip-Widerstand zu überhitzen, der neben einem warmen MOSFET platziert ist. Sie benötigen die Impulsbelastbarkeit des Widerstands, die Gehäusegröße, die Kupferfläche und den Luftstrom, um diese Werte mit den berechneten Verlusten abzugleichen.

Auch die thermische Reserve bestimmt, wie viel Dämpfung man sich leisten kann. Eine sauberere Wellenform ist nicht viel wert, wenn der Widerstand im Normalbetrieb nahe an seiner Grenze arbeitet. Durch Verbesserungen am Layout lässt sich oft die gleiche Reduzierung des Überschwingens ohne wiederkehrende Verluste erzielen. Deshalb sollte die Auslegung des Snubbers parallel zur Layout-Arbeit erfolgen, anstatt darauf zu warten.

Bei der Simulation sollten Streuinduktivitäten berücksichtigt werden, bevor Entscheidungen zum Layout getroffen werden.

Um eine Snubber-Schaltung zu simulieren, muss man zunächst absichtlich Streuinduktivität in die Schaltschleife einbringen. Bei idealen Leitungen tritt dieses Problem nicht auf. Es ist erforderlich, dass die Gehäuseinduktivität, die Schleifeninduktivität, die Kapazität des Bauelements und der lokale Entkopplungspfad so gut dargestellt werden, dass es zu Schwingungen kommt. Sobald diese Struktur vorliegt, sind die RC-Werte aussagekräftig.

Ein nützliches Ausgangsmodell ist klein und spezifisch. Sie platzieren die Busquelle, den Schalter, den Freilaufpfad, den Hochfrequenzkondensator und eine konzentrierte Streuinduktivität genau dort, wo sich die Kommutierungsschleife tatsächlich befindet. Dann lösen Sie ein Ausschalt-Ereignis aus und beobachten die Drain- oder Kollektorspannung, die Stromabfallzeit und die Verlustleistung am Widerstand. Sie suchen nach denselben Merkmalen, die Sie später auf dem Prüfstand messen werden. Eine ideale Wellenform ist nicht das Ziel.

Parameterdurchläufe sind hier besonders hilfreich. Schon wenige Nanohenry mehr an Schleifeninduktivität oder eine geringfügige Verschiebung des Gate-Widerstands können den optimalen Snubber erheblich verändern. Deshalb wirken späte Korrekturen oft willkürlich. Durch frühzeitige Simulationen können Sie kleinere Schleifeninduktivitäten mit größeren Snubber-Verlusten vergleichen, bevor die Kupferverteilung auf der Leiterplatte festgelegt wird.

Häufige Fehler bei Snubbern verschleiern die Belastungen, denen die Bauteile nach wie vor ausgesetzt sind

Die meisten Fehler bei der Auswahl von Snubbern entstehen dadurch, dass man die auf dem Oszilloskop sichtbaren Signale dämpft, anstatt das zu berücksichtigen, was das Bauteil tatsächlich an seinen Anschlüssen erfährt. Eine Wellenform kann ruhiger aussehen, während der Halbleiter dennoch einer übermäßigen Spitzenspannung ausgesetzt ist, der Widerstand überhitzt oder Strom über den falschen Pfad abgeleitet wird. Gute Snubber reduzieren gleichzeitig die gemessene Belastung und das sichtbare Nachschwingen.

• Werte anhand einer Faustregel auswählen, ohne den Ring zu vermessen.
• Das Netzwerk weit entfernt von der aktiven Kommutationsschleife platzieren.
• Unter Vernachlässigung der Impulsbelastbarkeit des Widerstands und der lokalen Erwärmung.
• Den Snubber als Ersatz für die Layoutarbeit betrachten.
• Dabei wird lediglich die Wellenform überprüft, nicht jedoch die Spitzenspannung des Bauteils.

Diese Fehler sind von Bedeutung, da sie Ursache und Wirkung verschleiern. Eine Platine kann einen schnellen Prüfstandstest bestehen und dennoch bei Hochtemperaturbetrieb, höherer Busspannung oder Lastsprüngen kurz vor dem Ausfall stehen. Gute Technik entsteht dadurch, dass man Überschwingen, Dämpfung und Verluste mit dem physikalischen Regelkreis verknüpft und das Ergebnis anschließend sowohl im Modell als auch in der Hardware überprüft. SPS SOFTWARE eignet sich gut für diese Vorgehensweise, da man die Streuinduktivität direkt abbilden und den Snubber anhand der Belastung beurteilen kann, der das Bauteil tatsächlich ausgesetzt sein wird.

„Gute Dämpfer reduzieren gleichzeitig die gemessene Spannung und das sichtbare Schwingen.“

Wichtigste Erkenntnisse

• Gleichrichter und Wechselrichter folgen derselben Schaltlogik, daher wirst du beide schneller verstehen, wenn du sie als gepaarte Leistungsflussfälle modelliert.
• Stromrichtung, Energiespeicherung und Wellenformgestaltung erklären den Großteil des Verhaltens von Wechselrichtern, bevor fortgeschrittene Regelungsdetails ins Spiel kommen.
• Durchschnittliche Modelle eignen sich für allgemeine Trends, während Schaltmodelle Aufschluss über Stress, Welligkeit und Oberschwingungen geben, die für die praktischen Auslegungsentscheidungen maßgeblich sind.

Die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom und von Gleichstrom in Wechselstrom lässt sich besser verstehen, wenn man sie als ein einziges Schaltproblem betrachtet, bei dem der Strom in entgegengesetzte Richtungen fließt.

Moderne Stromversorgungssysteme überschreiten immer wieder die Grenze zwischen Wechselstrom und Gleichstrom, daher benötigen Sie ein einheitliches Denkmodell für beide Richtungen. Im Jahr 2023 wurden weltweit fast 14 Millionen neue Elektroautos zugelassen, und jedes einzelne davon basiert auf Gleichrichtung, Wechselrichtung oder beidem. Solaranlagen, Batteriespeicher, Motorantriebe und Ladegeräte nutzen dieselben Prinzipien der Schaltzeitpunktsteuerung, auch wenn Lehrbücher diese Themen in separate Kapitel unterteilen. Sie werden diese Schaltungen schneller verstehen, wenn Sie die Stromrichtung, die Energiespeicherung und die Wellenformgestaltung auf beiden Seiten mit denselben Modellierungsansätzen verfolgen.

Die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom beginnt mit der Steuerung der Stromrichtung

Die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom funktioniert, wenn ein Stromkreis den Strom in einer Richtung durch die Last leitet, obwohl die Stromquelle in jeder Halbwelle die Polarität umkehrt. Geräte, die dies bewirken, werden als Gleichrichter bezeichnet. Dioden tun dies passiv, gesteuerte Schalter aktiv.

Ein Brückengleichrichter veranschaulicht dies deutlich. Während der positiven Halbwelle leitet ein Diodenpaar und leitet Strom durch die Last. Während der negativen Halbwelle leitet das andere Paar und sorgt dafür, dass der Laststrom in derselben Richtung fließt. Ein Glättungskondensator hinter der Brücke speichert Ladung, sodass am Ausgang eine gleichgerichtete Gleichspannung anstelle einer rohen, pulsierenden Wellenform anliegt.

Sie erzielen bessere Analyseergebnisse, wenn Sie vor der Berechnung der Spannungen zunächst die Strompfade skizzieren. Dieser einfache Schritt beantwortet die häufig gestellte Frage, wie in einem Stromkreis Wechselstrom in Gleichstrom umgewandelt wird. Außerdem verhindert er, dass Sie den Wandler als „Black Box“ betrachten. Die Stromrichtung ist der erste Anhaltspunkt für Leitungsverluste, den Welligkeitsgrad und die Belastung der Stromquelle.

„Die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom funktioniert, wenn ein Stromkreis den Strom in einer Richtung durch die Last leitet, obwohl die Quelle in jedem Halbzyklus die Polarität umkehrt.“

Ein Gleichrichter steuert jede Halbwelle

Ein Gleichrichter funktioniert, indem er auswählt, welche Bauelemente während jeder Halbwelle der Wechselstromquelle leiten. Diese Auswahl kann fest oder zeitgesteuert erfolgen. Bei fester Leitung ergibt sich eine einfache Diodengleichrichtung. Bei zeitgesteuerter Leitung wird aus derselben Quelle ein geregelter Gleichstromausgang erzeugt.

In der Stromversorgung von Kleingeräten kommt häufig eine Vollbrücke zum Einsatz, der ein Kondensator nachgeschaltet ist. Der Kondensator lädt sich in der Nähe der Wellenformspitzen auf, sodass die Gleichspannungsschiene nahe am Wechselstrom-Spitzenwert liegt und zwischen den Spitzen abfällt, wenn die Last Strom bezieht. Dieses Verhalten erklärt, warum der Eingangsstrom des Gleichrichters oft in kurzen Impulsen statt als glatter Sinus auftritt.

Gesteuerte Gleichrichter bringen die Gate-Zeitsteuerung ins Spiel. Eine phasengesteuerte Brückenschaltung, die einen Gleichstrommotor speist, verändert die durchschnittliche Ausgangsspannung, wenn sich der Zündwinkel verschiebt, doch diese Regelung erhöht auch die Welligkeit und die Netzverzerrung. Das lässt sich nicht gut modellieren, wenn man nur den durchschnittlichen Gleichstromwert betrachtet. Leitintervalle und Quellenimpedanz spielen bereits ab dem ersten Simulationsschritt eine Rolle.

Wandlerschaltungen sind sinnvoll, wenn man sie als Energiestufen betrachtet

Stromrichter lassen sich leichter verstehen, wenn man sie in Stufen unterteilt, die Energie weiterleiten, speichern und formen. Die meisten Wechselstrom-Gleichstrom-Schaltungen bestehen aus denselben Funktionsblöcken. Diese Vorgehensweise bereitet Sie auch auf die Analyse von Gleichstrom-Wechselstrom-Schaltungen vor. Der Aufbau hat Vorrang vor den Einzelheiten der Bauteile.

Ein Batterieladegerät ist ein gutes Beispiel dafür. Die Netzschnittstelle nimmt die Wechselstromquelle auf, der Gleichrichter legt die Stromrichtung fest, der Gleichstromzwischenspeicher speichert Energie und die Ausgangsstufe steuert, wie diese Energie zur Batterie gelangt. Filter und Regelkreise sind um diese Blöcke herum angeordnet, um Welligkeit zu begrenzen und den Strom innerhalb der Sollgrenzen zu halten. Jede Stufe hat eine klar definierte Aufgabe, sodass sich Ihr Modell leichter überprüfen und korrigieren lässt.

Sie vermeiden viele Anfängerfehler, wenn Sie die Grenzen der einzelnen Stufen kennzeichnen, bevor Sie Parameter eingeben. Die Induktivität der Quelle gehört an die Schnittstelle und nicht versteckt innerhalb der Brücke. Die Kapazität am Gleichstromzwischenkreis gehört zum Speicherkreis und nicht zum Lastmodell. Diese Trennung erleichtert die Fehlersuche und hilft Ihnen, eine einfache Lehrschaltung mit einem größeren Zuleitungs- oder Antriebssystem zu vergleichen.

Die Richtung des Leistungsflusses unterscheidet Gleichrichter von Wechselrichtern

Der Hauptunterschied zwischen einem Gleichrichter und einem Wechselrichter besteht in der vorgesehenen Richtung des durchschnittlichen Leistungsflusses. Ein Gleichrichter wandelt Wechselstrom in Gleichstrom um. Ein Wechselrichter wandelt Gleichstrom in Wechselstrom um. Die Schaltprinzipien sind eng miteinander verbunden, auch wenn die Regelungsziele unterschiedlich sind.

Die Richtung des Leistungsflusses bestimmt die Fragen, die man stellt. Bei einem Gleichrichtermodell geht es darum, wie sauber die Quelle den Zwischenkreis speist. Bei einem Wechselrichtermodell geht es darum, wie gut die geschaltete Brücke die gewünschte Wechselstromwellenform am Last- oder Netzpunkt reproduziert. Diese Unterscheidung ist zwar nützlich, rechtfertigt es jedoch nicht, die beiden Schaltungen als voneinander unabhängige Themen zu behandeln. Oft kommen auf beiden Seiten dieselben Brückenzweige, passiven Bauteile und Zeitsteuerungslogik zum Einsatz.

Ein Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler erzeugt eine Sollwellenform

Ein Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler schaltet eine Gleichstromquelle so, dass der Ausgang einer Wechselstrom-Referenzspannung folgt. Diese Referenzspannung kann rechteckförmig, stufenförmig oder nahezu sinusförmig sein. Solar-PV-Anlagen machten im Jahr 2023 etwa 75 % der neu installierten Kapazitäten aus erneuerbaren Energien aus. Diese Gleichstromquellen müssen in Wechselstrom umgewandelt werden, bevor sie in die meisten Wechselstromsysteme integriert werden können.

Eine H-Brücke, die einen kleinen Motor ansteuert, veranschaulicht diesen Vorgang anschaulich. Gegenüberliegende Schalterpaare legen positive und negative Spannung an die Wicklung an, und durch Pulsweitenmodulation wird der Mittelwert der an der Motorinduktivität anliegenden Spannung verändert. Der Wicklungsstrom glättet einen Teil der Schaltvorgänge, sodass die mechanische Leistung eher auf den elektrischen Mittelwert als auf jeden einzelnen Impuls reagiert.

Netzgekoppelte Umrichter stellen strengere Anforderungen. Die Ausgangsfrequenz muss mit dem Wechselstromnetz übereinstimmen, die Filterauslegung muss Oberschwingungen begrenzen und die Regelung muss bei Störungen die Strombegrenzungen einhalten. Wenn Sie sich nur auf eine schöne Sinuswelle im Diagramm beschränken, erhalten Sie ein unzureichendes Modell. Schaltzustände, Totzeit und Filterwerte entscheiden darüber, wie nah diese Welle unter Last an den Sollwert heranreicht.

Ein Modellierungsablauf kann beide Umwandlungsrichtungen erklären

Ein gutes Wandlermodell ist umso nützlicher, je besser man dieselbe Struktur von Gleichrichtung auf Inversion umstellen kann, ohne die Schaltung von Grund auf neu aufbauen zu müssen. Die Brücken-, Filter- und Quellenblöcke bleiben unverändert. Der Leistungsfluss ändert seine Richtung. Die Regelziele ändern sich entsprechend.

Eine auf diese Weise aufgebaute Laborübung vermittelt mehr als nur zwei isolierte Schaltpläne. Sie können mit einer einphasigen Diodenbrücke beginnen, die Wechselstromquelle durch einen Gleichstrombus ersetzen, gesteuerte Schalter hinzufügen und beobachten, wie dieselbe physikalische Struktur eine Wechselstromwellenform erzeugt. SPS SOFTWARE passt perfekt zu diesem Arbeitsablauf, da bearbeitbare Vorlagen für Gleichrichter und Wechselrichter nebeneinander angezeigt werden können, wodurch sich Leitungswege und Parameteränderungen leicht vergleichen lassen.

Außerdem lässt sich das Debugging einfacher gestalten, wenn der Arbeitsablauf konsistent bleibt. Ein Student, der Schwankungen in einem Gleichstromzwischenkreis nachverfolgt, lernt, warum die Größe des Kondensators eine Rolle spielt, und wendet diese Erkenntnis anschließend auf einen Wechselrichter an, der gepulsten Strom aus dem Zwischenkreis bezieht. Ein Ingenieur, der die Wechselwirkungen zwischen Zuleitungen untersucht, kann in beiden Fällen dieselbe Schalt- und Filterlogik wiederverwenden. Diese Kontinuität verkürzt den Weg vom Schaltplan zum fundierten Urteil.

„Ein gutes Wandlermodell ist umso nützlicher, je besser man dieselbe Struktur von der Gleichrichtung auf die Inversion umstellen kann, ohne die Schaltung von Grund auf neu aufbauen zu müssen.“

Durchschnittliche Modelle lassen Wechselwirkungen außer Acht, die die Leistung beeinflussen

Durchschnittsmodelle sind für die Auslegung von Steuerungen und für Untersuchungen auf langer Zeitskala nützlich, verbergen jedoch Details der Schaltvorgänge, die für die Belastung, die Verluste und die Qualität der Wellenform entscheidend sind. Ein Umrichter kann in einem Durchschnittsmodell stabil erscheinen und sich dennoch in einem Schaltmodell fehlerhaft verhalten. Diese Diskrepanz spielt eine Rolle, wenn die Komponenten knapp bemessen sind.

Ein Front-End-Gleichrichter, der einen großen Kondensator speist, veranschaulicht das Problem. Die durchschnittliche Gleichspannung kann zwar akzeptabel erscheinen, doch der tatsächliche Strommarkt des Bauteils zeigt sich in Form von schmalen Spitzen, die die Brücke erhitzen und die Quelle belasten. Ein Wechselrichter, der einen Motor speist, kann zwar das korrekte durchschnittliche Drehmoment anzeigen, doch die Totzeit verzerrt den Strom bei niedrigen Drehzahlen. Diese Details bleiben hinter dem Durchschnittsbild verborgen, beeinflussen jedoch die Ausfallmargen und die Wahl der Filter.

• Durch die Brummspannung erwärmen sich Kondensatoren stärker, als es die durchschnittliche Spannung vermuten lässt.
• Die Kommutierungsüberlappung drosselt den Gleichstromausgang bei Ereignissen im Zusammenhang mit der Quellenimpedanz.
• Die Totzeit verzerrt die Wellenformen des Niederspannungs-Wechselrichters im Bereich des Nulldurchgangs.
• Durch die Erholung der Bauelemente und parasitäre Effekte entstehen Spannungsspitzen, die die Isolation belasten.
• Durch die Änderung des Schaltzeitpunkts verschiebt sich der von Motoren und Netzen wahrgenommene Oberwellenanteil.

Man benötigt nicht für jede Untersuchung detaillierte Schaltpläne, muss aber wissen, wann durchschnittliche Modelle keine Antwort mehr auf die wichtige Frage liefern. Thermische Überprüfungen, Oberschwingungsgrenzwerte und Sicherheitsreserven erfordern in der Regel explizite Schaltpläne. Bei frühen Konzeptarbeiten ist dies oft nicht der Fall. Ein disziplinierter Arbeitsablauf sorgt dafür, dass beide Modelltypen verfügbar bleiben, und setzt jeden einzelnen für die Aufgabe ein, die er eindeutig beantworten kann.

Dank bearbeitbarer Vorlagen lassen sich Konversionspfade leichter vergleichen

Bearbeitbare Vorlagen machen das Studium von Konvertern zuverlässiger, da sie es ermöglichen, Annahmen zu vergleichen, anstatt über verborgene Implementierungsdetails zu spekulieren. Sie können das Schaltzeitverhalten, die Anordnung der Filter und die Messpunkte direkt überprüfen. Diese Klarheit hilft den Studierenden, schneller zu lernen. Außerdem hilft sie Ingenieuren, ihre Modellentscheidungen selbstbewusst zu begründen.

Ein direkter Vergleich zwischen einem Gleichrichter und einem Wechselrichter macht deutlich, was gleich bleibt und was sich ändern muss. Man erkennt dieselbe Brückenstruktur, denselben Gleichstromzwischenkreis und dieselbe Filterlogik, jedoch unterschiedliche Quellenrollen und unterschiedliche Regelziele. SPS SOFTWARE erweist sich in diesem Zusammenhang als nützlich, da offene Vorlagen diese Modellierungsoptionen sichtbar halten, anstatt sie hinter festen Blöcken oder undurchsichtigen Gleichungen zu verbergen.

Gute Arbeit im Bereich der Stromrichter basiert auf diszipliniertem Vergleich und nicht auf auswendig gelernten Bezeichnungen. Wenn man Gleichrichtung und Inversion als zwei miteinander verbundene Fälle kontrollierten Schaltens betrachtet, erscheint das Verhalten der Schaltung nicht mehr so fragmentiert. Man beginnt, bessere Fragen zum Strompfad, zur gespeicherten Energie, zur Welligkeit und zur Wellenformqualität zu stellen. Diese Gewohnheit führt im Laufe der Zeit zu fundierteren Modellen und einem zuverlässigeren technischen Urteilsvermögen.

Wichtigste Erkenntnisse

• Die aktive Leistungsfaktorkorrektur funktioniert am besten, wenn der Gleichrichter, die Messkette und der abgetastete Regler als ein System modelliert und nicht als separate Komponenten abgestimmt werden.
• Die Strom- und die Spannungsschleife erfordern unterschiedliche Bandbreitenprioritäten, und beide müssen unter extremen Leitungs- und Lastbedingungen überprüft werden, bevor die Hardware bereitgestellt wird.
• Der Leistungsfaktor ist nur ein Ergebnis, daher müssen bei der Vorab-Hardware- Tests en auch Verzögerungen, Welligkeit, Sättigung, Quantisierung und das Startverhalten berücksichtigt werden.

Eine präzise digitale PFC-Simulation spart Zeit bei der Neuentwicklung und verhindert Effizienzverluste, noch bevor eine Leiterplatte vorliegt.

Die aktive Leistungsfaktorkorrektur formt den Eingangsstrom des Gleichrichters so, dass er der Netzspannung folgt und den Oberwellenanteil gering hält. Die Schwierigkeit liegt nicht allein in der Aufwärtsstufung. Die Schwierigkeit liegt vielmehr in der Wechselwirkung zwischen dieser Stufe und einem abgetasteten Regler mit Erfassungsverzögerung, Tastgradbegrenzungen und Welligkeit auf dem Gleichstrombus. Rechenzentren verbrauchten im Jahr 2022 etwa 240 TWh Strom, was verdeutlicht, warum wiederkehrende Verluste im Frontend bei Schaltnetzteilen von Bedeutung sind.

Sie erzielen bessere Regelungsergebnisse, wenn die Anlage und der digitale Regelkreis von Anfang an als ein einziges System modelliert werden. Mit diesem einheitlichen Modell können Sie die Verstärkungen an das tatsächliche Verhalten des Umrichters anpassen, Abtasteffekte bereits vor Beginn der Layout-Arbeiten überprüfen und unzutreffende Annahmen aufdecken, die bei einem reinen Papierentwurf verborgen bleiben würden. Eine gute Simulation ist keine abschließende Überprüfung. Sie ist der Ort, an dem die aktive Leistungsfaktorregelung ihre Stabilität erlangt.

Eine aktive Leistungsfaktorkorrektur sorgt für einen sinusförmigen Eingangsstrom

Durch die aktive Leistungsfaktorkorrektur zieht der Gleichrichter einen Strom, der dem Verlauf der Netzspannung entspricht. Ein guter Regler sorgt dafür, dass der Strom nahezu sinusförmig verläuft, phasenmäßig eng mit dem Netz verbunden ist und trotz Last- und Netzschwankungen stabil bleibt. Eine digitale Regelung verbessert den Leistungsfaktor, wenn die Erfassungs- und Aktualisierungszeitpunkte korrekt modelliert sind. Bei einem rein kontinuierlichen Entwurf bleiben diese diskreten Effekte unberücksichtigt.

Betrachten wir ein 1-kW-Netzteil bei 230 V Wechselspannung ohne aktive Stromprofillassung. Die Brückengleichrichter und der Hauptkondensator verursachen schmale Stromspitzen nahe dem Spannungsspitzenwert, was den Effektivstrom erhöht und die Eingangskomponenten belastet. Eine Boost-PFC-Stufe ändert dieses Verhalten, da der Regler den Induktivitätsstrom in jedem Schaltzyklus festlegt. Man ist nicht mehr auf passive Ladeimpulse angewiesen. Man steuert die Stromwellenform aktiv.

Diese Unterscheidung ist bei der Simulation von Bedeutung, da die Stromreferenz allein nicht ausreicht. Die ADC-Skalierung, das PWM-Aktualisierungs-Timing, die Filterung des Stromsensors und die Buswelligkeit verschieben die endgültige Wellenform. Ein Modell, das diese Faktoren nachbildet, zeigt Ihnen, wie die digitale Regelung den Leistungsfaktor verbessert und wo sie ihn auch beeinträchtigen kann. Das ist die praktische Antwort auf die Frage, was aktive Leistungsfaktorkorrektur in einem Schaltnetzteil ist.

Boost PFC eignet sich für die meisten Frontends von Schaltnetzteilen

Der Boost-PFC-Gleichrichter eignet sich für die meisten Offline-Schaltnetzteile, da er den Eingangsstrom konstant hält und die Gleichstrom-Bus-Spannung über der Netzspitzenspannung hält. Dadurch ist die Regelung einfacher als bei vielen anderen Methoden zur Leistungsfaktorkorrektur. Außerdem erfüllt er die gängigen Anforderungen an universelle Eingangsspannungen gut. Nicht ohne Grund beginnt die Arbeit an den meisten digitalen PFC-Lösungen genau hier.

Ein typisches Beispiel ist eine Wechselstromversorgung von 90 bis 264 V, die einen geregelten Bus von 390 V bis 400 V benötigt. Die Aufwärtswandlerstufe besteht aus einer Induktivität, einem Schalter, einer Diode oder einem synchronen Pfad sowie einer übersichtlichen Regelungsstruktur mit einem inneren Stromregelkreis und einem äußeren Spannungsregelkreis. Es gibt zwar auch andere Verfahren zur Leistungsfaktorkorrektur, darunter passive Filter und brückenlose Varianten, doch diese bringen Kompromisse hinsichtlich Größe, Leitungsweg oder Regelungsaufwand mit sich.

Der gängige Oberschwingungsstandard für viele Frontends gilt für Geräte mit einem Eingangsstrom von bis zu 16 A pro Phase, wodurch eine breite Palette kommerzieller Netzteile unter denselben Konformitätsrahmen fällt. Aus diesem Grund bleibt die Boost-PFC die Standardlösung, wenn man fragt, welche Methoden der Leistungsfaktorkorrektur für Schaltnetzteile geeignet sind. Ihre Einschränkungen sind bekannt, und das damit verbundene Regelungsproblem ist gut genug strukturiert, um es vor der Hardwareentwicklung eingehend zu simulieren.

Eine Simulation sollte die zeitlichen Abläufe der Firmware zur Anlagensteuerung berücksichtigen

Eine aussagekräftige PFC-Simulation vereint die Leistungsstufe, die Messkette, das PWM-Timing und das Timing des Steuerungscodes in einem einzigen Modell. Dies ist der beste Weg, um einen PFC-Regelkreis vor der Hardware-Implementierung zu modellieren. Getrennte Untersuchungen des Regelobjekts und des Reglers verschleiern Wechselwirkungen, die sich später in einem schlechten Leistungsfaktor oder instabilen Verstärkungswerten äußern. Ein einziges Modell gewährleistet ein korrektes Timing.

Ein praktisches Modell umfasst die Wechselstromquelle, die Brücke, die Boost-Induktivität, den Schalter, den Ausgangskondensator, die Last, die Strommessverstärkung, den Spannungsteiler, den ADC-Abtastzeitpunkt, die Steuerungs-Interrupt-Rate und die Aktualisierung des PWM-Tastverhältnisses. Ein Regler, der in einer kontinuierlichen Übertragungsfunktion stabil erscheint, kann seine Phasenreserve verlieren, sobald diese Zeitblöcke eingefügt werden. Genau an dieser Stelle weichen viele Entwürfe auf dem Papier von der Hardware ab. Das fehlende Detail ist selten ungewöhnlich. Meist handelt es sich um eine Verzögerung von einem Zyklus, die niemand modelliert hat.

SPS SOFTWARE eignet sich für diesen Arbeitsablauf, da Sie die Gleichrichterstufe und die digitale Regelschleife in dasselbe physikbasierte Modell integrieren und die Funktionsweise der einzelnen Blöcke überprüfen können. Dies ist wichtig, wenn Sie eine CCM-Regelung mit fester Frequenz mit einem Fall bei geringerer Last vergleichen, bei dem Messrauschen und die Auflösung der Tastverhältnisregelung das Ergebnis beeinflussen. Die Auswahl der Verstärkung wird so zu einer Modellierungsaufgabe und nicht zu einer Nacharbeit an der Leiterplatte.

„Getrennte Untersuchungen der Anlage und des Reglers verschleiern Wechselwirkungen, die sich später in einem schlechten Leistungsfaktor oder einer instabilen Verstärkungswahl äußern.“

Das diskrete Modell muss die Auswirkungen von Abtastverzögerungen berücksichtigen

Eine digitale PFC-Regelschleife liefert nur dann realistische Simulationsergebnisse, wenn die Abtastverzögerung, die Rechenverzögerung und die PWM-Aktualisierungsverzögerung explizit berücksichtigt werden. Jede dieser Verzögerungen führt zu einer Phasenverzögerung. Diese Verzögerung schränkt die Bandbreite der Stromregelkreisschleife ein und verändert das Transientenverhalten. Schon ein einziger fehlender Verzögerungsterm reicht aus, damit eine grenzwertige Regelschleife auf dem Bildschirm einwandfrei aussieht.

Nehmen wir einen Regler, der den Induktionsstrom etwa in der Mitte einer Schaltperiode abtastet und den neuen Tastgradbefehl erst im nächsten Zyklus anwendet. Diese Abfolge führt bereits zu einer Verzögerung, noch bevor die Quantisierung berücksichtigt wird. Fügt man dem Stromsignal noch einen kleinen Eingangsfilter hinzu, entsteht eine größere Verzögerung, als der Kompensator ausgelegt ist. Das Ergebnis ist bekannt: Stromverzerrungen in der Nähe der Nulldurchgänge, Überschwingen bei Lastsprüngen oder hörbare Belastungsgeräusche in magnetischen Bauteilen.

Sie sollten außerdem das Hold-Verhalten nullter Ordnung und die Skalierungsgrenzen des Sensors darstellen. Dadurch erhalten Sie dieselben Informationen, die auch die Firmware tatsächlich erhält, und nicht etwa eine idealisierte Wellenform, die kein ADC jemals auslesen könnte. Sobald diese Elemente vorliegen, wird der beste Weg zur Abstimmung eines digitalen PFC-Regelkreises deutlich klarer. Sie stimmen ein diskretes System mit Verzögerung ab, nicht ein imaginäres analoges.

Die Stromschleifenabstimmung sorgt für Stabilität über den gesamten Schaltbereich

Die innere Stromregelungsschleife bestimmt, wie gut der Eingangsstrom seiner Referenz bei Schwankungen der Netzspannung und der Last folgt. Eine stabile Regelung erfordert eine Bandbreite, die schnell genug ist, um den Strom zu formen, aber langsam genug, um digitale Verzögerungen und Schaltwelligkeit zu tolerieren. Eine gute Regelung wird über den gesamten Betriebsbereich gemessen, nicht nur an einem Nennpunkt. Genau hier scheitern viele digitale Regelkreise unbemerkt.

Ein gängiger Ansatz besteht darin, die Übergangsfrequenz deutlich unterhalb der Abtastfrequenz festzulegen und diese dann bei niedriger Netzspannung, hoher Netzspannung, geringer Last und Volllast zu überprüfen. Eine Schaltung, die nur auf 230 V Wechselspannung und Nennlast abgestimmt ist, kann dort einwandfrei funktionieren und dennoch bei 90 V Wechselspannung stark schwingen. Die Verstärkung der Aufwärtswandlerschaltung ändert sich mit dem Arbeitspunkt, ebenso wie der Effekt der Sättigung im Arbeitszyklus. Der Spielraum für den Stromsollwert verringert sich zudem, wenn die Netzspannung niedrig und die Leistung hoch ist.

Sie erzielen ein besseres Ergebnis, wenn Sie zunächst die Betriebsbedingungen durchgehen, bevor Sie an der Hardware vornehmen. Beobachten Sie die Phasenreserve, den Stromnachlauffehler und das Nulldurchgangsverhalten auf denselben Diagrammen. Ein Regelkreis, der diese Fälle übersteht, verhält sich in der Regel auch auf dem Prüfstand gut. Ein Regelkreis, der nur an einem Betriebspunkt gut aussieht, ist noch nicht richtig abgestimmt.

Bei der Abstimmung der Spannungsschleife müssen durch Netzwelligkeit verursachte Verzerrungen unterdrückt werden

Die äußere Spannungsregelungsschleife legt die Gleichstrom-Sammelschienenregelung fest und muss langsam genug sein, um zu vermeiden, dass eine Welligkeit im Zweifachen der Netzfrequenz in die Stromreferenz gelangt. Reagiert sie zu stark auf diese Welligkeit, verzerrt die Stromregelungsschleife den Netzstrom. Eine gute Abstimmung der Spannungsregelungsschleife schützt den Leistungsfaktor, indem sie ruhig bleibt. Eine stabile Sammelschienenregelung ist weniger wichtig als ein sauberer Strom, wenn die Bandbreite der Regelungsschleife schlecht gewählt ist.

Stellen Sie sich eine 400-V-Gleichstromschiene vor, die aus dem 50-Hz-Netz gespeist wird. Nach der Gleichrichtung tritt auf der Schiene eine Welligkeit mit 100 Hz auf, und der äußere Regelkreis wird dieser Welligkeit nachlaufen, wenn seine Übergangsfrequenz zu hoch eingestellt ist. Dieses Nachlaufen zeigt sich als modulierte Stromreferenz, die wiederum die Eingangsstromwellenform verzerrt. Die Schienenregelung kann auf einem langsamen Diagramm zwar noch einwandfrei aussehen, während sich die Netzqualität jedoch verschlechtert. Sie müssen beide Ansichten gleichzeitig geöffnet haben.

Diese Checkpoint-Ansicht ist aussagekräftiger als ein einzelnes Bode-Diagramm. Sie suchen nach Wechselwirkungen, nicht nach isolierten Verstärkungen. Die Abstimmung der äußeren Regelschleife gilt nur dann als gut, wenn sie die Stromqualität gewährleistet und gleichzeitig den Bus innerhalb seines Sollbereichs hält.

Der Leistungsfaktor allein kann Probleme im Regelkreis verschleiern

Der Leistungsfaktor ist wichtig, stellt jedoch kein vollständiges Maß für die Qualität des Stromkreises dar. Ein Netzteil kann einen hohen Leistungsfaktor aufweisen und dennoch eine schlechte Stromwellenform, ein schwaches Transientenverhalten oder wiederholte Sättigung in der Nähe der Nulldurchgänge der Netzspannung zeigen. Sie benötigen eine umfassendere Reihe von Prüfungen. Eine gute aktive Leistungsfaktorkorrektur lässt sich an den Wellenformen erkennen, nicht nur an einem einzigen angegebenen Wert.

Ein Netzteil, das nahe der Nennlast betrieben wird, weist oft einen hohen Leistungsfaktor auf, einfach weil der Durchschnittsstrom der Netzspannung recht gut folgt. Dasselbe Gerät kann dennoch eine spürbare hochfrequente Welligkeit im Induktivitätsstrom, eine langsame Erholung nach einem Lastsprung oder ein Überschwingen der Spannungsregelungsschleife aufweisen, das den Netzstrom an jeder Spitze ablenkt. Diese Probleme lassen sich in der Hardware nicht beseitigen. Sie machen sich später im Projektverlauf in Form von Einhaltungsmargenverlusten, thermischer Belastung oder umständlicher Abstimmung bemerkbar.

Zu den nützlichen Prüfpunkten gehören der aktuelle THD-Wert, die Spannungswelligkeit am Bus, das Überschwingen der Stromschleife, das Clipping des Tastverhältnisses und das Verhalten beim Netz-Nulldurchgang. Jeder dieser Punkte weist auf eine andere Schwachstelle hin. Der Leistungsfaktor gibt Aufschluss darüber, ob das Regelziel erreicht wurde. Die anderen Diagramme zeigen, wie sauber dies erreicht wurde und wie viel Spielraum tatsächlich vorhanden ist.

Vor dem Hardware-Build: Test der Quantisierungs- und Sättigungsgrenzwerte beim Systemstart

Bevor die Hardware gebaut wird, sollten Sie die digitalen Grenzen testen, die bei der theoretischen Auslegung außer Acht gelassen werden. Quantisierung, Duty-Sättigung, Soft-Start-Verhalten, Sensor-Offsets und Lasttransienten verändern das Verhalten des Reglers auf eine Weise, die ein sauberes, kontinuierliches Modell nicht berücksichtigen kann. Diese Überprüfungen machen aus einer plausiblen Regelschleife eine realisierbare. Außerdem reduzieren sie Überraschungen im Labor, die Wochen an Zeit verschwenden.

Mit einer kurzen Testreihe vor der Hardware-Implementierung lassen sich die meisten kostspieligen Fehler erkennen:

• Verwenden Sie eine realistische ADC- und PWM-Auflösung, damit Verzerrungen bei niedrigen Strömen sichtbar werden.
• Den Arbeitszyklus festlegen und sicherstellen, dass die Erholung nach der Sättigung stabil bleibt.
• Beginnen Sie mit einem leeren Buskondensator und beobachten Sie den Soft-Start-Strom und das Bus-Überschwingen.
• Fügen Sie einen Sensor-Offset und einen Verstärkungsfehler ein, um zu sehen, wie sich die Stromformung verändert.
• Die Last bei niedriger und hoher Spannung schrittweise erhöhen, um eine geringe Schleifenreserve aufzudecken.

In diesem Bereich hört die digitale PFC-Regelung auf, nur eine Skizze zu sein, und wird zu einem ingenieurtechnischen Ergebnis. Es geht nicht darum, zu beweisen, dass ein Regler funktionieren kann. Vielmehr soll nachgewiesen werden, dass er auch dann weiterhin funktioniert, wenn Zeitabläufe, Grenzwerte und nicht-ideale Signale vorliegen. SPS SOFTWARE eignet sich gut für diesen abschließenden Schritt, da der Wandler und der Regelkreis innerhalb eines transparenten Modells bewertet werden können, in dem die Wahl der Verstärkungsfaktoren und die Abtastungseffekte bereits vor der Fertigung der Platine sichtbar sind.

„Der Leistungsfaktor zeigt an, dass das Regelziel erreicht wurde. Die anderen Diagramme geben Aufschluss darüber, wie präzise dies gelungen ist und wie viel Spielraum tatsächlich noch vorhanden ist.“

Wichtigste Erkenntnisse

• Die Kopplung von Antriebsumrichter, Maschine und Regelkreis liefert zuverlässigere Ergebnisse hinsichtlich Drehmoment und Gerätebelastung als die Modellierung jedes einzelnen dieser Komponenten für sich.
• Schaltfrequenz, Regelbandbreite und Spannungsreserve sind nur dann aussagekräftig, wenn man sie im Zusammenhang mit der Induktivität, der Salienz und dem Drehzahlbereich des Motors betrachtet.
• Die Modelltreue sollte sich nach der technischen Fragestellung richten, wobei Schaltdetails eher für Arbeiten im Zusammenhang mit Welligkeit, Belastung und Schutzmaßnahmen vorbehalten bleiben sollten, anstatt überall eingesetzt zu werden.

Eine genaue Modellierung des Antriebsumrichters eines Elektrofahrzeugs muss den Motor und den Regelkreis berücksichtigen, da sonst die Vorhersagen zum Drehmoment und zur Belastung der Bauteile falsch ausfallen.

Ingenieure erhalten genauere Drehmoment- und Belastungsschätzungen, wenn der Traktionsumrichter, der Motor und der Regelkreis im selben Modell zusammengefasst sind. Das ist von Bedeutung, da im Jahr 2023 fast 14 Millionen Elektroautos verkauft wurden, wodurch der Motorantrieb für die Konstruktion von Elektrofahrzeugen zu einem Problem der Serienfertigung und nicht mehr nur zu einer Nischenaufgabe wurde. Abkürzungen, die Stromwelligkeit, Spannungsgrenzen oder die Salienz des Motors verbergen, bleiben nicht lange unbedeutend. Man kann einen Elektromotorantrieb nicht allein anhand der Schaltstufe beurteilen, und man kann den Motor nicht ohne den Umrichter beurteilen, der ihn speist. Ein brauchbares Modell hält diese Komponenten miteinander gekoppelt, sodass man sehen kann, wie aus einem Drehmomentbefehl Phasenstrom wird, wie dieser Strom die Bauteile erwärmt und wo die Regelungsabstimmung beginnt, die Leistung zu beeinträchtigen. Das ist der Unterschied zwischen einer Grafik, die sauber aussieht, und einem Modell, das auch unter härteren Betriebsbedingungen Bestand hat.

Wie erzeugt ein Traktionsumrichter die Phasenspannung des Motors?

Ein Antriebsumrichter wandelt die Gleichspannung der Batterie mithilfe von sechs Leistungsschaltern, Pulsweitenmodulation und einem Zwischenkreis in drei geregelte Phasenspannungen um. Das Modulationsmuster bestimmt die Durchschnittsspannung. Die Induktivität des Motors glättet den Strom. Dieser Stromvektor erzeugt das Drehmoment.

Stellen Sie sich einen 400-V-Akku vor, der einen Permanentmagnetmotor mit 3000 U/min versorgt. Der Regler fordert Strom für die q-Achse an, und die Brücke legt an jede Phase kurze positive und negative Spannungsimpulse an. Die Induktivität des Motors filtert diese Impulse zu einem nahezu sinusförmigen Strom. Deshalb sehen die Phasenspannungswellenformen gezackt aus, während die Drehmomentkurve dennoch glatt aussehen kann.

Ihr Modell benötigt diese Unebenheiten, wenn das Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen, Geräuschentwicklung oder die Erwärmung des Bauteils eine Rolle spielen. Die Totzeit verschiebt die effektive Spannung. Der Spannungsabfall am Bauteil schmälert die Spannung, die tatsächlich am Motor anliegt. Wenn Sie diese Effekte außer Acht lassen, erscheint der simulierte Motor leichter zu steuern als die Hardware, die Sie zu prognostizieren versuchen.

Die Maschinendynamik bestimmt die elektrische Belastung der Wechselrichterkomponenten

Die elektrische Belastung von Wechselrichtern wird sowohl durch die Maschine als auch durch die Brücke bestimmt. Wicklungsinduktivität, Gegen-EMK, Ausprägung und Drehzahl bestimmen die Stromwelligkeit und die Spitzenspannung. Ein und derselbe Traktionswechselrichter verhält sich sehr unterschiedlich, wenn er verschiedene Motoren versorgt.

Ein Permanentmagnetmotor mit niedriger Induktivität kann nach jeder Schaltflanke einen starken Stromanstieg verursachen. Eine Induktionsmaschine mit ähnlicher Leistung verteilt diesen Strom in der Regel über einen längeren Zeitraum. Die Rückspeisung nahe der Höchstgeschwindigkeit stellt einen weiteren Sonderfall dar, da die Gegen-EMK der Maschine die Phasenspannung in Richtung der Gleichstrom-Verbindungsspannungsgrenze drückt. Eine schwierigere Kommutierung und höhere Spitzenbelastungen treten genau dort auf, wo ein vereinfachtes Modell einen ruhigen Verlauf vermuten lässt.

Diese Kopplung ist für Verlustschätzungen und die sichere Betriebsreserve von Bedeutung. Dieselbe Brücke kann bei einem Gerät harmlos wirken, bei einem anderen hingegen eine übermäßige Belastung darstellen. Wenn man den Wechselrichter ohne das Gerät untersucht, übersieht man, an welcher Stelle Überstromspitzen, Diodenrücklauf oder Spannungssättigung auftreten. Die Belastung der Bauteile ist ein Systemergebnis und nicht nur eine Folge des Schaltvorgangs.

Ein Modell eines Antriebswechselrichters für Elektrofahrzeuge beginnt mit seiner Schaltbrücke

Ein nützliches Modell für einen EV-Antriebswechselrichter beginnt mit den Komponenten, die das Schaltverhalten tatsächlich bestimmen. Zu diesen Komponenten gehören die Gleichstromquelle, der Zwischenkreiskondensator, der Buswiderstand und die Businduktivität, sechs Halbleiterbauelemente, gültige Strompfade, Gate-Befehle und die Strommessung. Sie entscheiden darüber, welche Spannung den Motor erreicht und welche Belastung auf die Bauelemente zurückwirkt.

Ein 800-V-Brückenmodell mit idealen Schaltern kann das durchschnittliche Drehmoment recht gut vorhersagen. Es zeigt jedoch nicht den Überschwingen-Effekt, der auftritt, wenn die Businduktivität und die Ausgangskapazität der Bauelemente miteinander wechselwirken. Eine Stufe mit Silizium-IGBTs erfordert zudem die Rückspeisung der Dioden. Eine Stufe mit Siliziumkarbid-Bauelementen erfordert Angaben zur Ausgangskapazität und zur Totzeit am gleichen Arbeitspunkt.

Sie benötigen nicht alle parasitären Parameter aus dem ersten Durchlauf, sondern nur diejenigen, die für Ihre Fragestellung relevant sind. Für thermische Berechnungen sind Angaben zu Schaltverlusten erforderlich. Für die Verfeinerung bei niedrigen Geschwindigkeiten sind Totzeiten und Spannungsabfälle der Bauelemente erforderlich. Für Fehleranalysen werden Strompfade benötigt, die auch dann gültig bleiben, wenn ein Gate-Befehl fehlt.

„Dieselbe Brücke kann bei der einen Maschine sanft wirken und bei einer anderen aggressiv.“

Modelle mit Motorantrieb erfordern auf die Steuerung abgestimmte Maschinengleichungen

Ein Modell für den Antrieb mit Elektromotor funktioniert nur, wenn die Maschinengleichungen und das Regelungsverfahren auf denselben physikalischen Annahmen beruhen. Die feldorientierte Regelung für eine Permanentmagnetmaschine erfordert konsistente Zustände der d- und q-Achse. Die Regelung eines Asynchronmotors erfordert eine Rotorflussdynamik, die der Regler tatsächlich erfassen kann.

Ein Modell mit oberflächenmontierten Permanentmagneten verhält sich oft vorbildlich, wenn die Stromverstärkungen aus einem Lehrbuchbeispiel übernommen werden. Überträgt man dieselben Verstärkungen auf eine Maschine mit innenliegenden Magneten und starker Salienz, kommt es zu einem Drehmomentüberschwingen, da sich das Regelobjekt unterscheidet. Der Winkelabweichungsfehler des Sensors stellt eine weitere Falle dar. Ein Versatz von 5 Grad dreht den Sollstrom in die falsche Achse und verringert das Drehmoment, während die Verluste steigen.

SPS SOFTWARE ist hier von Nutzen, da Sie die Zustände der Schaltbrücke, des Reglers und der Maschine in einem bearbeitbaren Modell übersichtlich darstellen können, anstatt sie über geschlossene Blöcke zu verteilen. Das erleichtert es, nachzuvollziehen, warum eine Verstärkung, die für sich genommen in Ordnung schien, versagt, sobald die Umrichtergrenzen und die Maschinenzustände miteinander interagieren. Sie können die Annahmen direkt überprüfen, anstatt zu raten, in welchem Block sie verborgen sind.

Die Regelbandbreite legt fest, wie sich das Drehmoment nach einem Befehl aufbaut

Das Drehmomentverhalten hängt stärker von der Bandbreite des Stromregelkreises, der Abtastverzögerung, der verfügbaren Phasenspannung und der Maschineninduktivität ab als von einem bloßen Schaltwert. Der Umrichter beeinflusst das Drehmoment, da er begrenzt, wie schnell der Strom den Sollwert erreichen kann. Diese Begrenzung wird deutlich, wenn Gegen-EMK und Spannungssättigung den Regelkreis unter Druck setzen.

Führen Sie bei einem 400-V-Antrieb bei niedriger Drehzahl einen Schritt von 0 Nm auf 150 Nm durch. Der Regler erreicht das Ziel in der Regel schnell, da ausreichend Spannungsreserve vorhanden ist, um den Strom nach oben zu treiben. Führen Sie denselben Schritt nahe der Grunddrehzahl durch, stößt der Sollwert an die Grenze des Gleichstromzwischenspeichers. Der Strom steigt langsamer an und die Drehmomentkurve verläuft selbst bei identischen Verstärkungswerten abgerundeter.

Aus diesem Grund können Testergebnisse Teams überraschen, die ihre Anlagen ausschließlich im Stillstand abgestimmt haben. Ein schneller Stromregler kann fehlenden Spannungsspielraum nicht ausgleichen. Zusätzliche Bandbreite kann zudem Störgeräusche oder Welligkeit verstärken, wenn die Induktivität der Maschine gering ist. Bei der Beurteilung des Drehmomentgefühls ist der Betriebspunkt ebenso wichtig wie die Reglereinstellungen.

Welche Schaltfrequenz eignet sich für ein bestimmtes Traktionsumrichtermodell?

Die für einen Antriebsumrichter geeignete Schaltfrequenz ist jene, bei der Stromwelligkeit, Schaltverluste, Regelgenauigkeit und akustische Grenzwerte für eine bestimmte Maschine und einen bestimmten Drehzahlbereich im Gleichgewicht stehen. Die meisten Antriebe für Elektrofahrzeuge liegen im Bereich zwischen einigen Kilohertz und den unteren Zehnern von Kilohertz. Ein gutes Modell testet diesen Bereich, anstatt Vermutungen anzustellen.

Eine 8-kHz-Brücke in Kombination mit einem Motor mit höherer Induktivität kann die Welligkeit in Grenzen halten und die Verluste gering halten. Ein Permanentmagnetmotor mit niedriger Induktivität erfordert oft eine höhere Frequenz oder eine höhere Phasenspannung, um die gleiche Drehmomentgleichmäßigkeit zu erreichen. Veröffentlichte Testberichte zu Siliziumkarbid-Antriebswechselrichtern für Kraftfahrzeuge weisen Spitzenwirkungsgrade von über 98 % aus, sodass bereits eine geringe Frequenzverschiebung die thermische Reserve aufbrauchen kann. Das lässt wenig Spielraum für eine Frequenzwahl, die allein aus Gewohnheit getroffen wird.

Die Wahl der Frequenz beeinflusst auch, was Sie simulieren müssen. Bei niedrigeren Frequenzen lassen sich Welligkeit und akustische Anteile leichter erkennen. Bei höheren Frequenzen müssen Sie verstärkt auf Schaltverluste und den Temperaturanstieg der Bauteile achten. Sie können erst dann den besten Kompromiss finden, wenn Motor und Umrichter im selben Modell berücksichtigt werden.

Die Simulationsgenauigkeit sollte der gestellten Fragestellung entsprechen

Die Details der Simulation sollten auf die technische Fragestellung abgestimmt sein, da eine falsche Genauigkeitsstufe in einem Fall Zeitverschwendung bedeutet und in einem anderen Fall die Antwort verschleiert. Mittelwertmodelle eignen sich gut für Energieflussanalysen und allgemeine Steuerungsprüfungen. Für Untersuchungen zu Welligkeit, Belastung, Totzeit und Schutzmaßnahmen sind Schaltmodelle erforderlich.

Für eine Reichweitenanalyse auf Fahrzeugebene sind nicht alle Schaltflanken erforderlich. Bei einer Drehmomentsprunganalyse bei niedriger Drehzahl ist dies in der Regel jedoch der Fall. Die Tabelle ermöglicht eine schnelle Überprüfung, ob die Modelldetails mit dem gewünschten Ergebnis übereinstimmen. Durch diese Vorgehensweise lässt sich die Simulationszeit unter Kontrolle halten, ohne dabei die physikalischen Zusammenhänge außer Acht zu lassen, die das Ergebnis bestimmen.

Wenn es um die Belastung des Bauteils geht, sieht ein vereinfachtes Durchschnittsmodell zwar ansprechend aus, führt Sie aber dennoch in die Irre. Wenn es um die Zyklenergiekosten geht, kostet ein vollständiges Schaltmodell Zeit und bringt kaum einen Mehrwert. Bei guter Modelltreue geht es nicht um ein Maximum an Details. Bei guter Modelltreue geht es darum, genau die Details beizubehalten, die für das Ergebnis entscheidend sind.

„Man kann erst dann erkennen, welche Variante die bessere ist, wenn Motor und Wechselrichter im selben Modell verbaut sind.“

Häufige Einstellungsfehler verfälschen die vorhergesagte Drehmomentkurve

Das Drehmomentverhalten sieht in der Simulation besser aus als auf der Hardware, wenn kleine Einstellungsfehler die Verbindung zwischen der Physik des Umrichters, den Maschinenzuständen und den Regelgrenzen unterbrechen. Die schlimmsten Fehler sind einfach, wiederholbar und vermeidbar. Das macht sie gefährlich, denn die Diagramme sehen bis zum ersten harten Betriebspunkt immer noch einwandfrei aus.

Die meisten schlechten Ergebnisse sind auf eine kleine Anzahl von Einstellungsgewohnheiten zurückzuführen. Hinter jeder davon verbirgt sich eine andere physikalische Grenze. Saubere Wellenformen bedeuten nicht, dass das Modell zuverlässig ist. Diese Überprüfungen decken falsches Vertrauen frühzeitig auf.

• Der Einsatz idealer Schalter bei Totzeit und Gerätespannungsabfall beeinflusst den Strom bei niedrigen Drehzahlen.
• Kombination eines Modells für einen Permanentmagnetmotor mit Regelungsgleichungen, die auf einen anderen Motortyp abgestimmt sind.
• Die Stromregelkreise im Stillstand abstimmen und sich auf die Verstärkungswerte nahe der Grunddrehzahl verlassen.
• Festlegung einer Schaltfrequenz, bevor die Welligkeit und die Verluste über den gesamten Drehzahlbereich hinweg überprüft werden.
• Nur das Drehmoment wird überprüft, während der Gerätestrom, die Welligkeit im Zwischenkreis und die thermische Belastung außer Acht gelassen werden.

Ein Modell gewinnt an Glaubwürdigkeit, wenn das Weglassen von Details bewusst erfolgt und klar dokumentiert wird. Das ist der Maßstab, den Sie bei jeder Untersuchung von Traktionsumrichtern oder Elektromotorantrieben anlegen sollten. SPS SOFTWARE passt zu dieser Arbeitsweise, da Sie den Umrichter, die Steuerung und die Maschine an einem Ort untersuchen und neben der Belastung des Geräts auch das Drehmomentverhalten beurteilen können. Klare Modelle beseitigen zwar keine Kompromisse, zeigen Ihnen aber, woher diese Kompromisse stammen.