Wie Simulation die Entwicklungszyklen für Produkte der Leistungselektronik verkürzt

Wichtigste Erkenntnisse

• • Simulationen sparen am meisten Zeit, wenn sie bereits vor der Entwicklung der Hardware Unsicherheiten hinsichtlich Topologie, Belastung, Regelstabilität und Betriebsgrenzen ausräumen.

• • Die Anzahl der Prototypen sinkt nur dann, wenn die Modelle die physikalischen Aspekte berücksichtigen, die über das Bestehen oder Scheitern im Labortest entscheiden, darunter Schaltdetails, thermisches Verhalten und Steuerungsabläufe.

• • Kostenlose Tools eignen sich gut für die Konzeptprüfung, während in späteren Phasen weiterhin fundierte Hardware-Nachweise hinsichtlich Konformität, Montageauswirkungen und abschließender Validierung erforderlich sind.

Durch Simulation lassen sich die Entwicklungszyklen für Prototypen der Leistungselektronik verkürzen, da die meisten Fehler bereits am Bildschirm erkannt werden.

Die Hardware spielt nach wie vor eine Rolle, kommt aber erst später im Prozess zum Einsatz, nachdem Sie Topologie, Regelbereiche, Belastungsgrenzen und wahrscheinliche Fehlerpfade festgelegt haben. Leistungselektronik ist mittlerweile an mindestens 80 % der erzeugten Elektrizität beteiligt, bevor diese den Endverbraucher erreicht. Das macht langsame Entwicklungszyklen und wiederholte Nachbesserungen am Prüfstand kostspielig. Teams, die Simulationssoftware für Leistungselektronik sinnvoll einsetzen, verzichten nicht auf die Hardware. Sie beschränken den ersten Bau auf Bestätigungsarbeiten und reservieren die Zeit am Prüfstand für Probleme, die nur Tests physikalische Tests aufgedeckt Tests .

„Ein Modell, das parasitäre Effekte, thermische Kopplungen oder das Timing der digitalen Steuerung außer Acht lässt, sieht auf dem Bildschirm zwar stabil aus, führt aber im Praxistest zu chaotischen Ergebnissen.“

Durch Simulationen lassen sich die meisten Prototypenrunden vor der Markteinführung vermeiden

Durch Simulationen lassen sich die meisten Prototypeniterationen einsparen, da sie die ersten technischen Fragen klären, noch bevor eine Leiterplatte vorliegt. Man kann die Wahl der Topologie, die Belastung der Bauelemente, die Regelstabilität und die thermischen Spielräume per Software festlegen und physische Bauteile dann zur Bestätigung statt zur grundlegenden Erkundung nutzen. Genau dieser Wandel ist es, der die Anzahl der Iterationen reduziert.

Ein Entwicklerteam, das zwischen einer phasenverschobenen Vollbrücke und einer Resonanzstufe wählt, benötigt keine zwei Prototypenplatinen, um die Strombelastung, den Soft-Switching-Bereich und die Transformatorauslastung zu vergleichen. Ein gut aufgebautes Modell zeigt, wo die Leitungsverluste ansteigen, wo die Regelung empfindlich reagiert und wo die Dimensionierung der magnetischen Komponenten den Wirkungsgrad beeinträchtigt. Durch diesen Vergleich lässt sich oft schon vor Beginn der Beschaffung eine Hardware-Option ausschließen.

Die Einsparungen durch Prototypen ergeben sich daraus, dass Unsicherheiten bereits in der Entwurfsphase beseitigt werden. Zunächst klärt man: „Erfüllt diese Topologie die Anforderungen?“ Anschließend ermittelt man: „Welche Werte und Grenzwerte sorgen für Stabilität?“ Bei physischen Bauten werden zwar weiterhin die Verarbeitung, die Störkopplung und thermische Details der Baugruppe überprüft, doch diese Prüfungen finden erst statt, nachdem die Entwurfsrichtung festgelegt wurde. Man zahlt nicht für Leiterplatten, die nur dazu dienen, zu zeigen, dass ein Konzept mangelhaft war.

Frühe Schaltstudien decken Fehler auf, noch bevor die Hardware existiert

Frühe Schaltstudien decken die Fehlermodi auf, die am meisten Zeit auf dem Prüfstand kosten. Sie können Überschwingen, Nachschwingen, Rückgewinnungsbelastungen, Totzeitempfindlichkeit und Stromspitzen erkennen, lange bevor ein Layout fertig ist. So haben Sie die Möglichkeit, die Bauteilauswahl und die Gate-Strategie anzupassen, bevor die Bauteile bestellt werden.

Eine 1-kW-Boost-Stufe kann in gemittelten Berechnungen gut aussehen und dennoch versagen, sobald parasitäre Induktivität und Diodenrücklauf berücksichtigt werden. Das Modell kann beim Ausschalten eine Drain-Spannungsspitze anzeigen, die über der Sicherheitsmarge des Bauelements liegt. Es kann auch zeigen, dass eine geringfügige Änderung des Gate-Widerstands einen kleinen Schaltverlust gegen eine deutliche Verringerung der Belastung eintauscht. Diese Korrektur sieht auf dem Bildschirm günstig aus, erweist sich auf dem Prüfstand jedoch als zeitaufwendig.

Durch Vergleichstests vermeidet man außerdem, später die falschen Ursachen zu vermuten. Oftmals suchen Teams nach Fehlern in der Firmware, im Schaltplan oder bei den Sensoren, obwohl das eigentliche Problem bereits bei der Wahl eines ungeeigneten Kommutierungspfads oder einer falschen Totzeit lag. Die Hardware kann einem nicht sagen, was bei zehn anderen Timing-Einstellungen passiert wäre, ohne dass man zehn weitere Testläufe durchführt. Eine Simulation kann dies jedoch leisten und spart so Tage an Zeit vor dem ersten Einschalten.

Parameterdurchläufe verkürzen die Testdauer über den gesamten Betriebsbereich hinweg

Parameterdurchläufe verkürzen die Testzeit, da sie weitaus mehr Betriebspunkte abdecken, als in einem Test auf dem Prüfstand innerhalb derselben Woche abgedeckt werden können. Sie können Eingangsspannung, Last, Temperatur, Bauteil-Toleranzen und Regelverstärkungen strukturiert variieren und sich bei der Hardware-Entwicklung dann auf die Randbereiche konzentrieren, die noch risikobehaftet erscheinen. Genau hier macht sich die Simulation bezahlt.

Ein Batterieladegerät muss sich bei niedriger und hoher Netzspannung, bei geringer und voller Last sowie während Übergängen der Strombegrenzung einwandfrei verhalten. Die physikalische Durchführung dieser Testfälle erfordert Einrichtungszeit, einen sicheren Umgang mit der Stromversorgung und wiederholte Bereinigung der Messdaten. Ein Simulationsdurchlauf kann genau die Grenzwerte aufzeigen, an denen Stromwelligkeitsspitzen auftreten oder die Phasenreserve der Regelkreis sinkt. Elektromotorsysteme verbrauchen mehr als 40 % des weltweiten Stroms, daher sind die Betriebsbereiche von Wechselrichtern und Antrieben weit über den Rahmen eines einzelnen Laboraufbaus hinaus von Bedeutung.

Unternehmen fragen oft, wie viele Prototypeniterationen dadurch eingespart werden. Die Anzahl hängt von der Modellqualität und dem Produktrisiko ab, doch wenn durch Durchlaufprüfungen fehlerhafte Ecken frühzeitig erkannt werden, lässt sich in der Regel ein Leiterplattenentwurf einsparen. Bei Wandlern mit großem Eingangsbereich, thermischen Grenzen und engen Schutzzeitfenstern sind zwei oder mehr eingesparte Entwürfe realistisch. Die Zeit am Prüfstand verkürzt sich, da man mit einer kurzen Liste von Fragen anstelle von Überraschungen vor Ort erscheint.

Die Modellgenauigkeit bestimmt die Obergrenze der Einsparungen durch den Prototyp

Die Modellgenauigkeit begrenzt die Einsparungen durch Prototypen, da ein ungenaues Modell Fehler lediglich früher aufdeckt, ohne sie zu beseitigen. Eine nützliche Simulationssoftware für Leistungselektronik muss die physikalischen Zusammenhänge erfassen, die über Erfolg oder Misserfolg Ihres Entwurfs entscheiden. Fehlen diese Effekte, haben die ansprechenden Diagramme wenig Aussagekraft, sobald die Hardware vorliegt.

Ein Modell für einen Halbbrücken-Wechselrichter, das Totzeiten, den wärmebedingten Anstieg des Wicklungswiderstands und die Abtastverzögerung der Steuerung außer Acht lässt, liefert sauberere Wellenformen, als die Platine jemals erzeugen kann. Diese Diskrepanz ist von Bedeutung, da sich die Entwurfsentscheidungen an dem Modell orientieren. Tools wie SPS SOFTWARE spielen hier eine wichtige Rolle, da transparente Komponentenmodelle es Ihnen ermöglichen, Gleichungen, Verluste und Steuerungsannahmen zu überprüfen, bevor Sie den Ergebnissen vertrauen. Sie sind nicht gezwungen, eine undurchsichtige Blackbox zu akzeptieren.

Vertrauen wächst, wenn ein Modell dieselben Details enthält, die auch die Hardware-Ergebnisse beeinflussen:

• • Der Schaltverlust des Bauelements spiegelt den tatsächlichen Gate-Pfad und die parasitären Effekte wider.

• • Bei magnetischen Bauteilen sind die Sättigungs- und Kupferverluste über den gesamten Temperaturbereich zu berücksichtigen.

• • Wärmepfade stellen einen Zusammenhang zwischen den Verlusten im Halbleiter und der Sperrschichttemperatur her.

• • Regelkreise nutzen die in der Firmware vorgesehenen Abtastraten und Grenzwerte.

• • Zu den Fehlerfällen zählen Anlauf, Überlastung und abrupte Lastsprünge.

Jedes fehlende Detail mindert den Wert jedes nachfolgenden Screening-Ergebnisses. Eine genaue Modellierung beseitigt zwar nicht alle Unsicherheiten, bewahrt Sie jedoch davor, eine saubere Wellenform fälschlicherweise für ein sicheres Design zu halten.

Die Hardware spielt bei Compliance-Tests kurz vor der Veröffentlichung nach wie vor eine wichtige Rolle

Hardware spielt nach wie vor eine wichtige Rolle, da manche Fragen nur beantwortet werden können, wenn physische Bauteile, Verkabelung, Sensoren und die thermische Anordnung tatsächlich vorhanden sind. Die Einhaltung von Vorschriften, die Prüfung auf elektromagnetische Störungen, die Isolationsabstände und die Herstellbarkeit hängen alle vom fertigen Produkt ab. Simulationen reduzieren zwar die Anzahl der Prototypen, können aber den endgültigen Nachweis nicht ersetzen.

Ein netzgekoppelter Wechselrichter kann in einem Modell die Oberwellengrenzwerte einhalten, diese Grenzwerte jedoch verfehlen, sobald Details zu Kabelverlegung, Erdung und Gehäuse berücksichtigt werden. Ein Stromsensor kann in Sättigung geraten, eine Kühlkörper-Schnittstelle kann hinter den Erwartungen zurückbleiben, und Steckverbinder können einen unerwarteten Widerstand verursachen. Diese Effekte treten erst zutage, wenn die Hardware als physisches Objekt mit all ihren Unvollkommenheiten vorliegt.

Physikalische Tests am effektivsten, wenn sie erst so spät durchgeführt werden, dass sie Fragen klären, die nur die Hardware beantworten kann. Wenn Sie den Prüfstand dazu auffordern, gleichzeitig die Topologie auszuwählen, die Steuerungen einzustellen und Schaltfehler aufzudecken, wird sich Ihr Zeitplan in die Länge ziehen und die Anzahl der Prototypen steigen.

Kostenlose Simulationssoftware für Leistungselektronik eignet sich für die frühe Konzeptphase

„Durch Simulationen lassen sich die meisten Prototypenrunden einsparen, da sie die ersten technischen Fragen beantworten, noch bevor ein Prototyp vorliegt.“

Kostenlose Simulationssoftware für Leistungselektronik eignet sich für die frühe Konzeptphase, wenn es darum geht, Ideen zu vergleichen, Wellenformen zu untersuchen und erste Belastungen abzuschätzen, bevor das Design ausgereift ist. Sie ist nützlich für den Unterricht, Machbarkeitsstudien und Vergleichsanalysen. Sie verliert jedoch an Nutzen, wenn das Projekt auf detailliertere Informationen zu Bauteilen, thermischen Aspekten und Arbeitsabläufen angewiesen ist.

Ein Studententeam oder eine kleine Forschungsgruppe kann ein kostenloses Tool nutzen, um eine Idee zur Steuerung eines Abwärtswandlers zu testen, verschiedene Schaltfrequenzen zu vergleichen oder den Kondensator-Welligkeitsstrom abzuschätzen, bevor Investitionen in Hardware getätigt werden. Das reicht oft aus, um ungeeignete Optionen auszuschließen und Zielwerte festzulegen. Es ist ein sinnvoller erster Schritt, wenn die Fragestellung noch weit gefasst ist und die Kosten für eine grobe Antwort noch gering sind.

Grenzen treten zutage, sobald das Modell eine höhere Genauigkeit, wiederverwendbare Komponentenbibliotheken oder eine nahtlose Einbindung in einen umfassenderen Entwicklungsprozess erfordert. Kostenlose Tools eignen sich oft am besten für die Konzeptphase, während in späteren Phasen bearbeitbare Modelle, eine klarere Parametersteuerung und eine einfachere Validierung anhand von Messdaten erforderlich sind. Sie sparen am meisten, wenn Sie kostenlose Software als Filter für erste Ideen betrachten und nicht als Ersatz für umfassende technische Überprüfungen.

Unzureichende Modelle wecken vor der Inbetriebnahme ein falsches Vertrauen

Unzureichende Modelle wecken ein trügerisches Vertrauen, wenn sie genau jene Effekte verbergen, die das erste Board zum Versagen bringen. Ein Modell, das parasitäre Effekte, thermische Kopplungen oder das Timing der digitalen Steuerung außer Acht lässt, sieht auf dem Bildschirm stabil aus, führt aber im Praxistest zu chaotischen Ergebnissen. Diese Diskrepanz kostet Zeit, da man sich in der falschen Phase auf falsche Anhaltspunkte verlässt.

Ein Entwickler kann eine einwandfreie Startsequenz für einen bidirektionalen Wandler simulieren, nur um dann festzustellen, dass das physische Gerät beim Einschalten die Schutzschaltung auslöst, weil die Vorladung der Kondensatoren, der Sensor-Offset und die Zeitquantisierung nicht berücksichtigt wurden. Das Simulationsergebnis war nicht nutzlos, aber es beantwortete eine weniger wichtige Frage, als das Team angenommen hatte. Auf diese Weise wird die Simulation für Fehler verantwortlich gemacht, die eigentlich auf eine unzureichende Modellierung zurückzuführen sind.

Warnzeichen sind leicht zu erkennen. Wellenformen, die an jeder Ecke perfekt bleiben, Verluste, die sich bei Temperaturänderungen kaum verändern, und Regelkreise, die niemals eine Sättigung zeigen, deuten in der Regel darauf hin, dass Details fehlen. Ein ehrliches, grobes Modell ist besser als ein ausgefeiltes, das Risiken verschleiert. Ehrliche Modelle zeigen Ihnen, was noch einer Hardware-Überprüfung bedarf, und diese Ehrlichkeit schützt den Zeitplan.

Ein stufenweiser Arbeitsablauf senkt die Kosten bereits vor dem ersten Build

Ein stufenweiser Arbeitsablauf senkt die Kosten bereits vor dem ersten Bau, da jede Frage der kostengünstigsten Testmethode zugewiesen wird, mit der sie zufriedenstellend beantwortet werden kann. Simulationen sollten zunächst für das Konzept-Screening, Belastungsprüfungen, Parameterdurchläufe und Fehlerproben eingesetzt werden. Die Hardware sollte erst dann zum Einsatz kommen, wenn das Design sich die Freigabe für den Bau verdient hat.

Ein strukturierter Entwicklungsprozess beginnt mit einfachen Modellen, um unzureichende Konzepte auszusortieren, geht dann zu detaillierten Schalt- und thermischen Analysen über und nutzt schließlich einen gezielten Prototyp, um die verbleibenden Unklarheiten zu klären. Diese Abfolge sorgt dafür, dass Beschaffung, Layout, Firmware und Laborzeit auf ein Design abgestimmt sind, das bereits durch konkrete Ergebnisse untermauert ist. Teams, die diese Phasen überspringen, wenden in der Regel ohnehin denselben Entwicklungsaufwand auf, nur später und zu höheren Kosten.

Gutes technisches Urteilsvermögen zeigt sich darin, was man nicht zu früh umsetzt. Deshalb ist Simulationssoftware für die Leistungselektronik dann am wichtigsten, wenn es darauf ankommt, dass der erste Hardware-Bau erfolgreich ist. Eine Plattform wie SPS SOFTWARE erfüllt diese Anforderungen, wenn Sie transparente Modelle benötigen, die sowohl das Verständnis als auch die Ergebnisse unterstützen. Sie werden weiterhin Prototypen erstellen, aber nicht, um Fragen zu klären, die die Software eigentlich schon hätte beantworten sollen.