Wichtigste Erkenntnisse
- Die beste Simulationssoftware für Leistungselektronik ist auf die jeweilige Forschungsfrage zugeschnitten und ermöglicht den für diese Frage erforderlichen Detaillierungsgrad.
- Offene Geräte- und Steuerungsmodelle liefern Ihnen Ergebnisse, die Sie im Rahmen von Entwurfsbesprechungen und bei der Laborvorbereitung überprüfen, anpassen und begründen können.
- Geschwindigkeit spielt erst dann eine Rolle, wenn die Modellgenauigkeit, die Anpassung an den Arbeitsablauf und die Validierungsprüfungen auf das Verhalten des Konverters abgestimmt sind, das Sie vorhersagen möchten.
Bei der Auswahl einer Simulationssoftware für die Leistungselektronik im Rahmen der Wandlerentwicklung gilt zunächst eine Regel: Vertrauen Sie nur den Modellen, die Sie überprüfen und anpassen können.
Da mittlerweile immer mehr Umrichter in Fahrzeugen, Ladegeräten, Speichersystemen und industriellen Antrieben verbaut sind, wirken sich kleine Modellierungsfehler stärker auf Zeitpläne, Testpläne und Hardwareänderungen aus. Der weltweite Absatz von Elektroautos überschritt im Jahr 2024 die Marke von 17 Millionen – ein Anstieg von mehr als 25 % gegenüber 2023. Dieses Wachstum erhöht den Druck auf die Teams, eine Simulationssoftware für Leistungselektronik zu wählen, die die richtigen technischen Fragen beantwortet, anstatt schnelle, aber unvollständige Ergebnisse zu liefern.
Die Wahl der Konvertierungssoftware beginnt mit der Fragestellung
Die Wahl der richtigen Software zur Schaltungssimulation hängt davon ab, welche Frage Sie beantworten möchten. Eine Studie zur Dimensionierung von Wandlern erfordert andere Erkenntnisse als eine Untersuchung des Gate-Timings. Eine Verlustschätzung erfordert andere Details als eine Fehleranalyse. Bei der Wahl der Software sollte diese Frage an erster Stelle stehen.
Eine Stufe zur Leistungsfaktorkorrektur verdeutlicht dies anschaulich. Wenn Sie die Form des Eingangsstroms und die Größe des Hauptkondensators ermitteln müssen, können Sie mit einem gemittelten Modell schnell zum Ergebnis gelangen. Wenn Sie jedoch die Belastung der Schaltelemente bei Netztransienten ermitteln müssen, wird durch dasselbe Modell das für Sie relevante Ereignis ausgeblendet. Ein Team, das diese Unterscheidung außer Acht lässt, muss die Arbeit in der Regel nach der ersten Abweichung im Labor erneut durchführen.
Sie sparen Zeit, wenn Sie das Ergebnis der Simulation bereits vor dem Öffnen des Tools benennen. Bei diesem Ergebnis kann es sich beispielsweise um die aktuelle Welligkeit, die Stabilitätsreserve der Regelung, Halbleiterverluste oder eine Busüberspannung während eines Lastschritts handeln. Sobald dieses Ziel klar definiert ist, können Sie die Modelldetaillierung, die Solver-Einstellungen und die Ergebnisüberprüfung mit deutlich weniger Rätselraten beurteilen. Das ist der erste Filter für jedes Entwurfswerkzeug im Bereich der Leistungselektronik.
Die Modellgenauigkeit an das untersuchte Verhalten des Wandlers anpassen
Die Modellgenauigkeit sollte dem Verhalten entsprechen, das Sie zuverlässig vorhersagen möchten. Zu wenig Detailgenauigkeit verschleiert Schalteffekte und parasitäre Effekte. Zu viel Detailgenauigkeit verlangsamt die Routinearbeit, ohne nützliche Erkenntnisse zu liefern. Bei einem guten Design in der Leistungselektronik wird das einfachste Modell verwendet, das das zu untersuchende Verhalten dennoch erfasst.
Ein Buck-Wandler zur Regelungsoptimierung lässt sich oft zunächst mit idealen Schaltern und konzentrierten passiven Werten modellieren. Derselbe Wandler zur Verlustanalyse erfordert hingegen Leitungsspannungsabfälle, Schaltenergie, Totzeit und magnetischen Widerstand. Ein Resonanzwandler erfordert in der Regel noch mehr Sorgfalt, da die Wellenform sowohl für den Wirkungsgrad als auch für die Belastung von Bedeutung ist. Genauigkeit ist kein Zeichen von Seriosität. Sie ist vielmehr das Ergebnis einer guten Übereinstimmung zwischen Modell und Fragestellung.
| Studienfokus | Was die Software originalgetreu wiedergeben muss |
| Prüfung der Ein- und Ausgangsgrößen | Ein vereinfachtes Modell reicht oft aus, wenn man lediglich Informationen zu Brummtrends, zur Dimensionierung der Sammelschienen und zu stationären Betriebspunkten benötigt. |
| Regelung im geschlossenen Regelkreis | Das Tool sollte Regelverzögerungen, Abtastraten und die Dynamik des Regelobjekts beibehalten, damit Verstärkungs- und Phasenänderungen an den richtigen Stellen auftreten. |
| Bewertung von „Switch Stress“ | Schaltübergänge, parasitäre Effekte und Kommutationspfade müssen sichtbar sein, da sonst die Spitzenwerte von Spannung und Strom zu niedrig angegeben werden. |
| Effizienz- und Wärmeberechnungen | Die Mechanismen der Verlustleistung, die magnetischen Verluste und die Abhängigkeit vom Arbeitspunkt müssen editierbar sein, sonst sieht die Schätzung zwar ordentlich aus, ist aber weiterhin unzuverlässig. |
| Schutz- und Fehlerprüfungen | Der Solver und der Modellsatz müssen Kurzzeitereignisse, Sättigung und Reglergrenzen berücksichtigen, damit die Fehlerantwort nicht abgeschwächt wird. |
Software, die mehr als eine Detailebene unterstützt, ist oft die sinnvollste Option. Sie können mit einem schnellen Systemmodell beginnen und dann ausgewählte Abschnitte in eine detailliertere Darstellungsstufe überführen, sobald sich eine Frage konkretisiert. Dieser schrittweise Ansatz sorgt für einen fokussierten Arbeitsablauf und erleichtert es, spätere Meinungsverschiedenheiten nachzuvollziehen. Außerdem hilft er Teams dabei, Annahmen miteinander zu vergleichen, anstatt sich über Screenshots zu streiten.
Offene Gerätemodelle bestimmen, inwieweit den Ergebnissen vertraut werden kann
Offene Gerätemodelle sind wichtig, da die Ergebnisse von Konvertern von Annahmen abhängen, die transparent sein müssen. Wenn Sie Gleichungen, parasitäre Effekte und Verlustterme nicht überprüfen können, können Sie nicht beurteilen, warum eine Wellenform stabil erscheint oder warum eine thermische Schätzung niedrig ausfällt.
„Ein zuverlässiges Ergebnis beruht auf einer überprüfbaren Modellstruktur und transparenten Annahmen, denn auch noch so ansprechende Grafiken können das Modell nicht erklären.“
Eine aus Siliziumkarbid-Bauelementen aufgebaute Halbbrücke verdeutlicht dies schnell. Ausgangskapazität, Rücklaufzeit, Gehäuseinduktivität und Gate-Widerstand beeinflussen alle das Überschwingen und die Verluste. Befinden sich diese Parameter in einem geschlossenen Block, kann man nur raten, welche Standardwerte die Kurve auf dem Bildschirm erzeugt haben. Mit editierbaren Bauelementmodellen können Sie Grenzwerte aus dem Datenblatt testen, Layout-Annahmen vergleichen und dokumentieren, warum sich ein Parameter geändert hat.
An dieser Stelle verlieren viele Entwicklerteams das Vertrauen in ihre eigene Simulationskette. Ein Ergebnis, das nicht überprüft werden kann, führt zu Verzögerungen bei den Entwurfsüberprüfungen, da niemand sagen kann, auf welche Annahme der Fehler zurückzuführen ist. Die Simulation offener Modelle in der Leistungselektronik bietet Ihnen einen klareren Weg. Sie können überprüfen, was modelliert wurde, es gezielt ändern und die Auswirkungen in verständlicher technischer Sprache erklären.
Der Zugriff auf das Modell ist ebenso wichtig wie die Genauigkeit der Schaltung
Die Konverter- Software muss das Regelmodell ebenso klar darstellen wie die Leistungsstufe. Abtastrate, Grenzwerte, Verzögerung, Quantisierung und Schutzlogik beeinflussen das Strom- und Spannungsverhalten ebenso stark wie die Physik der Bauelemente. Selbst ein detailliertes Schaltnetzwerk kann irreführend sein, wenn der Regler hinter versteckten Standardeinstellungen verborgen ist.
Ein netzgekoppelter Wechselrichter veranschaulicht dieses Risiko. Die Stromschleife kann in einem vereinfachten Regelblock stabil erscheinen, dann aber in Schwingungen geraten, sobald Sättigung, Phasenverzögerung und Messfilterung korrekt dargestellt werden. Wind- und Solarenergie deckten im Jahr 2023 15,6 % der Stromerzeugung in den Vereinigten Staaten ab, sodass das Regelverhalten von Wechselrichtern mittlerweile weit mehr als nur einen einzelnen Produktprüfstand betrifft. Der Zugang zu den Regelgleichungen ist von Bedeutung, da Netzinteraktion, Fehlerüberbrückung und Wiederherstellung alle in dieser Logik verankert sind.
Sie sollten in der Lage sein, ein fehlerhaftes transientes Verhalten auf eine bestimmte Reglerannahme zurückzuführen. Dabei kann es sich um eine Anti-Windup-Klemme, eine Impulsaktualisierungsverzögerung oder einen Stromsensorfilter handeln, der aus älterem Code übernommen wurde. Wenn Regelmodelle offen zugänglich sind, können die Teams für Firmware und Stromversorgung dieselbe Ursachenkette überprüfen. Diese gemeinsame Transparenz macht die Simulation von einem Präsentationswerkzeug zu einem Entwurfswerkzeug.
Die Geschwindigkeit des Solvers spielt eine Rolle, nachdem die Genauigkeit den Anforderungen der Konstruktionsaufgabe entspricht
Die Geschwindigkeit des Solvers ist erst dann von Nutzen, wenn das Modell den Effekt abbildet, den Sie untersuchen möchten.
„Schnelle Durchläufe fördern die Iteration. Schnelle, aber fehlerhafte Durchläufe führen nur dazu, dass sich falsche Annahmen vermehren.“
Die beste Software für die Konverterauslegung bietet Ihnen ausreichend Kontrolle über Zeitschritt, Ereignisbehandlung und Modelldetaillierung, um die Geschwindigkeit optimal auf den jeweiligen Zweck abzustimmen.
Ein Resonanzwandler stellt hier eine häufige Falle dar. Große Zeitschritte können Spitzenströme, Verluste durch weiches Schalten oder den Zeitpunkt des Nulldurchgangs, der für die Belastung der Bauelemente entscheidend ist, glätten. Eine strengere Einstellung des Lösers kann diese Ereignisse sichtbar machen, erhöht jedoch auch die Laufzeit. Dieser Kompromiss ist akzeptabel, wenn es um Belastung oder Verluste geht. Er ist jedoch verschwenderisch, wenn man lediglich eine grobe Betriebskarte benötigt.
Ein Tool, mit dem Sie zwischen verschiedenen Analysemodi wechseln können, ohne jedes Mal von Grund auf neu beginnen zu müssen, ist für Sie von größerem Nutzen. Beginnen Sie mit einer groben Darstellung der Anlage, um den Betriebsbereich zu überprüfen. Gehen Sie erst dann in die Detailansicht über und betrachten Sie nur den kritischen Zweig, wenn eine Spitzenlast oder ein zeitliches Problem auftritt. Oft machen Teams die Software für Verzögerungen verantwortlich, obwohl das eigentliche Problem darin besteht, dass sie ein einziges Modell dazu heranziehen, alle Fragen zu beantworten.
Die Eignung für den Workflow hängt von der Integration mit Tools zur Regelungsauslegung ab
Die Anpassung an den Arbeitsablauf ist wichtig, da die Entwicklung eines Umrichters selten auf einen einzigen Bildschirm beschränkt ist. Sie benötigen das Schaltungsmodell, die Steuerungslogik, den Parametersatz und die Verifizierungshinweise, um über alle Revisionsversionen hinweg den Überblick zu behalten. Software, die sich in Ihren bestehenden Entwicklungsablauf für Steuerungssysteme einfügt, reduziert Nacharbeiten und erleichtert die Überprüfung erheblich.
Ein Projekt zur digitalen Stromversorgung verdeutlicht den Unterschied. Der Ingenieur für die Leistungsstufe passt die magnetischen Komponenten und das Schaltzeitverhalten an, während der Steuerungsingenieur die Verstärkungen der Stromregelkreise und die Fehlerschwellenwerte optimiert. Befinden sich diese Änderungen in separaten Dateien, die manuell kopiert werden müssen, kommt es schnell zu Inkonsistenzen. SPS SOFTWARE eignet sich für diese Arbeit, wenn Teams Untersuchungen auf Schaltstufenebene mit Komponentenmodellen benötigen, die sie auch dann noch öffnen, überprüfen und anpassen können, wenn sich die Annahmen ändern.
Sie sollten auch darauf achten, wie ein Tool die Wiederverwendung handhabt. Ein guter Arbeitsablauf ermöglicht es Ihnen, einen validierten Baustein, Filter oder Regler in den nächsten Entwurf zu übernehmen, ohne die Gleichungen auszublenden, die ihn validiert haben. Das ist sowohl in der Industrie als auch in akademischen Labors von Bedeutung. Studierende, Forscher und erfahrene Ingenieure haben hier alle dasselbe Bedürfnis: eine Modellkette, die auch dann noch lesbar bleibt, wenn der ursprüngliche Autor nicht mehr daran arbeitet.
Validierungsmethoden sollten Annahmen vor Testsests aufdecken
Die Validierung sollte Annahmen früh genug aufdecken, damit diese noch vor der ersten Hardware-Sitzung behoben werden können. Eine gute Konverter-Simulation endet nicht mit einer plausiblen Wellenform. Sie schafft Vertrauen durch Gegenprüfungen, die das Modellverhalten mit Berechnungen, Datenblättern und gemessenen Schaltungsgrenzen verknüpfen. So unterscheidet man fundiertes Vertrauen von trügerischer Sicherheit.
Ein praktischer Ablauf beginnt mit manuellen Berechnungen des Tastverhältnisses, der Welligkeit und der Bauteilbelastung an einem Betriebspunkt. Eine vereinfachte Simulation sollte diese Trends widerspiegeln, bevor Sie Details zur Schaltung hinzufügen. Danach sollte ein detailliertes Modell erklären, was sich verändert hat und warum, beispielsweise den Rücklaufstrom der Dioden oder die Erwärmung durch den ESR-Wert des Kondensators. Wenn das detaillierte Modell ein Ergebnis ohne ersichtlichen Grund verändert, liegt das Problem in der Regel an einer versteckten Annahme oder einer ungenauen Parameterquelle.
- Der Arbeitspunkt stimmt mit einer manuellen Berechnung unter einer bestimmten Randbedingung überein.
- Der Regelkreis verhält sich auch nach Aktivierung der Grenzwerte und Verzögerungen weiterhin wie vorgesehen.
- Die Verluste des Bauteils reagieren empfindlich auf Frequenz- und Stromänderungen.
- Die parasitären Werte lassen sich auf Hinweise im Layout, im Gehäuse oder im Datenblatt zurückführen.
- Das Modell erklärt etwaige Abweichungen zwischen den gemittelten Ergebnissen und den Ergebnissen auf Schaltniveau.
Diese Überprüfungen nehmen nicht viel Zeit in Anspruch und sorgen dafür, dass die Arbeit im Labor zielgerichtet bleibt. Es geht nicht darum, zu beweisen, dass ein Modell perfekt ist. Vielmehr wird überprüft, ob jede wichtige Annahme ersichtlich, überprüfbar und mit einer physikalischen Begründung verknüpft ist. Diese Disziplin ist es, die Schaltungssimulationssoftware für Entwickler nicht nur praktisch, sondern auch nützlich macht.
Gängige Software-Lösungen wecken ein falsches Vertrauen in die Ergebnisse von Konvertern
Falsches Vertrauen entsteht meist durch die Wahl von Software, die bestimmte Annahmen hinter Geschwindigkeit, Standardeinstellungen oder Komfort verbirgt. Bei engen Terminen fällt es leicht, einer sauberen Wellenform zu vertrauen. Dieses Vertrauen bricht jedoch in dem Moment zusammen, in dem die Hardware eine andere Schaltflanke, eine langsamere Erholung oder eine Reglergrenze zeigt, die man in der Simulation nie gesehen hat.
Es gibt einige Muster, die immer wieder auftauchen. Teams wählen ein Tool aufgrund seiner Bauteilbibliothek aus und stellen dann fest, dass die mitgelieferten Modelle für ein neues Gehäuse oder Layout nicht ausreichend angepasst werden können. Andere verwenden ausschließlich gemittelte Modelle und tun dann überrascht, wenn Totzeit, Rücklaufzeit oder Strommessung zu Problemen im Labortest führen. Eine weitere Gruppe erstellt detaillierte Schaltmodelle, belässt jedoch die Reglerverzögerung und die Sättigung auf den Idealwerten, was zu einem sauberen Ergebnis führt, das kein Firmware-Build erreichen kann.
Die sicherere Entscheidung ist ganz einfach: Entscheiden Sie sich für eine Simulationssoftware für Leistungselektronik, mit der Sie die Bauteile und die zugrunde liegenden Annahmen überprüfen, die Genauigkeit an die Fragestellung der Untersuchung anpassen und jeden Schritt validieren können, bevor die Hardware die Kosten verursacht. SPS SOFTWARE spiegelt diese Arbeitsweise wider, da die Modellierung auf Schaltpegelebene und offene Bauteilmodelle die Überprüfung, Überarbeitung und ein gemeinsames Verständnis ermöglichen, bevor nur noch die Geschwindigkeit als einzige Zuverlässigkeitsgrundlage bleibt.
