Wichtigste Erkenntnisse
- Wählen Sie die Schaltdetails entsprechend der von Ihnen zu treffenden Entscheidung aus, da Welligkeit, Spitzen und Oberschwingungen nur dann zuverlässig sind, wenn das Modell tatsächlich das Schaltverhalten widerspiegelt.
- Wählen Sie den Zeitschritt aus dem schnellsten Verhalten, das Sie interpretieren möchten, und überprüfen Sie ihn anschließend durch Konvergenzprüfungen, um sicherzustellen, dass Spitzenbelastung, Welligkeit und Verluste nicht von der Schrittweite abhängen.
- Steuern Sie die Laufzeit durch gezielte Details und sorgfältige Ausgabeprobenahme, da grobe Speicherung oder falsch ausgerichtete Schaltvorgänge Aliasing verbergen und falsche Niederfrequenzeffekte erzeugen können.
Switching-Modelle erzeugen die Wellenformen, die Sie auf einem Prüfstand sehen, aber sie verursachen auch das schwierigste numerische Problem, das Sie einem Simulator stellen können: scharfe Kanten, breitbandige Oberschwingungen und starre Energiespeicherung. Die Abtasttheorie gibt hier den Ton an, da die Darstellung eines Signals ohne Aliasing eine Abtastrate erfordert, die mehr als doppelt so hoch ist wie die höchste relevante Frequenz. Die Wahl des Zeitschritts ist einfach die Wahl der Abtastrate, ausgedrückt in Sekunden.
Durchschnittsmodelle und Umschaltmodelle konkurrieren nicht miteinander hinsichtlich ihrer „Genauigkeit“. Es handelt sich um unterschiedliche Instrumente. Die zuverlässigsten Ergebnisse erhält man, indem man die Modelldetails auf die Fragestellung der Studie abstimmt und dann einen Zeitschritt wählt, der das schnellste Verhalten auflöst, das für Sie von Interesse ist, und nicht das schnellste Verhalten, das irgendwo im Schema existiert.
„Die Zuverlässigkeit Ihrer Konvertersimulation hängt von der Genauigkeit Ihrer Schaltdetails und Ihres Zeitschritts ab.“
Wählen Sie je nach Studienziel zwischen Schalt- oder Durchschnittskonvertermodellen.
Verwenden Sie ein Schaltmodell, wenn Sie Welligkeit, Spitzen, Oberwellenanteile, Gerätebelastung oder detaillierte Wechselwirkungen mit Schutzvorrichtungen und parasitären Elementen benötigen. Verwenden Sie ein gemitteltes Modell, wenn Sie Steuerungsverhalten, stationäre Arbeitspunkte, langsame Transienten oder Systemstudien benötigen, bei denen die Schaltwelligkeit die Antwort nur verschleiern würde. Die richtige Wahl ist diejenige, die zu der von Ihnen zu treffenden Entscheidung passt.
Schaltmodelle repräsentieren die diskreten Ein-Aus-Zustände von Halbleiterbauelementen, sodass sie naturgemäß PWM-Welligkeit, Dioden-Erholungseffekte und hohe dv dt- und di dt-Flanken erzeugen. Diese Genauigkeit ist wichtig für den Welligkeitsstrom von Kondensatoren, den Flusswechsel von Transformatoren, die Filterdämpfung und die Abtasteffekte von Reglern, da diese von den momentanen Wellenformen und nicht nur von deren Durchschnittswerten abhängen. Sie ist auch immer dann wichtig, wenn Sie Spitzenwerte anstelle von Effektivwerten benötigen, da Spitzenwerte häufig thermische und Zuverlässigkeitsgrenzen festlegen.
Durchschnittsmodelle ersetzen das Schaltnetzwerk durch eine gesteuerte Quelle oder eine äquivalente, vom Arbeitszyklus abhängige Beziehung. Dadurch wird der Trägerfrequenzanteil entfernt, was die Simulation in der Regel bei viel größeren Zeitschritten stabiler macht und Ihnen die Untersuchung längerer Zeitfenster ermöglicht. Wenn Ihr Ziel die Interaktion auf Netzebene, die Droop-Reaktion, die Startsequenzierung oder die Abstimmung einer Schleifenbandbreite ist, liefert ein Durchschnittsmodell schnellere Antworten mit weniger numerischen Fallstricken.
Identifizieren Sie, welche Änderungen sich in den Schaltdetails in den wichtigsten Wellenformen und Verlusten ergeben.
Durch die Umschaltung der Details ändert sich, was Ihr Modell im elektrischen Sinne als „real“ behandelt: Welligkeit, Oberschwingungen und Spitzenbelastungen werden zu expliziten Signalen, anstatt impliziert zu sein. Dies wirkt sich direkt auf die vorhergesagten Leitungsverluste, Schaltverluste, die Erwärmung durch Welligkeit in Magneten und Kondensatoren sowie auf jede Steuerungslogik aus, die von abgetasteten Strömen und Spannungen abhängt. Durch die Mittelwertbildung wird der Träger entfernt und diese Ergebnisse werden neu geformt.
Ripple ist keine kosmetische Angelegenheit. Eine kleine Änderung des Ripple-Stroms kann einen Kondensator von einem akzeptablen Temperaturanstieg zu einer chronischen Überhitzung führen, und derselbe Ripple kann Resonanzen in Filtern und Kabeln auslösen, die in einem gemittelten Modell niemals auftreten. Oberschwingungen sind auch außerhalb der Berichterstattung zur Stromqualität von Bedeutung, da die Konformitätsarbeit oft weit über die Grundfrequenz und sogar über die Schaltfrequenz durch ihre Oberschwingungen hinausgeht.
Ein nützlicher Bezugspunkt ist die Praxis der leitungsgebundenen Emissionen, da Störungsgrenzwerte in CISPR 11 von 150 kHz bis 30 MHz bewertet werden. Ein Schaltmodell erzeugt Inhalte, die diesen Bereich erreichen, wenn Ihre Flanken schnell genug sind oder Ihre parasitären Effekte berücksichtigt werden, und Ihre Wahl des Zeitschritts entscheidet darüber, welcher Teil dieses Spektrums glaubwürdig ist. Wenn Sie die Schaltdetails zu stark glätten, erhalten Sie zwar immer noch eine „saubere” Wellenform, aber diese ist aus den falschen Gründen sauber.
Simulationszeitschritt aus Schaltfrequenz und Regelbandbreite festlegen
Ein praktischer Zeitschritt beginnt mit dem schnellsten Verhalten, das Sie lösen müssen, und fügt dann eine Marge hinzu, damit die numerische Integration keine Kanten verschmiert oder Phasen verschiebt. Bei Schaltmodellen ist dieses Verhalten in der Regel die PWM-Trägerperiode, die Totzeit und alle Resonanzschwingungen, die Sie beibehalten möchten. Bei gemittelten Modellen ist das schnellste Verhalten in der Regel die Regelbandbreite und die dominanten Anlagenpole.
Betrachten Sie einen 20-kHz-PWM-Wandler, bei dem Sie sich für den Induktionswelligkeitsstrom und den Schalt-Spitzenstrom während Transienten interessieren. Die Schaltperiode beträgt 50 µs, sodass ein Zeitschritt von etwa 0,5 µs 100 Punkte pro Periode ergibt und in der Regel die Wellenform erfasst, ohne jede Flanke in eine Treppenstufe zu verwandeln. Wenn Ihr Modell eine Totzeit von 200 ns oder ein paar MHz Klingeln enthält, die Sie sehen möchten, ist dieser Zeitschritt nicht mehr ausreichend, und der Zeitschritt muss verkleinert werden, bis sich diese Merkmale bei der Verfeinerung nicht mehr verschieben.
Die Steuerung fügt eine zweite Einschränkung hinzu. Ein digitaler Regler mit einer Bandbreite im kHz-Bereich kann bei einem groben Zeitschritt stabil erscheinen und dennoch eine falsche Phasenmarge aufweisen, sobald Abtast- und Modulationsverzögerungen dargestellt werden. Der sicherste Arbeitsablauf besteht darin, den Zeitschritt an die höchste Frequenz zu binden, die Sie in Diagrammen oder Metriken interpretieren, und dann die Konvergenz zu überprüfen, indem Sie den Zeitschritt halbieren und prüfen, ob sich wichtige Ergebnisse, wie z. B. die Welligkeit und der Spitzenstrom des Geräts, auf einen konsistenten Wert einpendeln.
| Was Sie von der Simulation benötigen | Modelldetail, das diesen Bedarf unterstützt | Zeitschritt-Prüfpunkt, der die Ergebnisse glaubwürdig hält |
| Loop-Tuning und langsame Transienten über Sekunden | Durchschnittskonverter mit expliziter Steuerung und Begrenzungen | Der Zeitschritt löst die Steuerungsbandbreite und die dominante Anlagendynamik, nicht den PWM-Träger. |
| Welligkeitsstrom, Spitzenspannung und Oberschwingungsstruktur | Schaltmodell mit PWM und Gerätestatus | Timestep liefert viele Punkte pro Umschaltperiode, sodass sich Welligkeiten und Spitzen nicht mehr verschieben, wenn sie verfeinert werden. |
| Schutzzeitpunkt und Schwellenwertüberschreitungen | Umschaltmodell, wenn Schwellenwerte von momentanen Schwankungen abhängen | Der Zeitschritt ist klein genug, dass Schwellenereignisse zu konsistenten Zeitpunkten über alle Verfeinerungen hinweg auftreten. |
| Filterresonanz und Kabelwechselwirkung | Umschalten oder mitteln, je nach interessierender Resonanzfrequenz | Timestep ermittelt die Resonanzfrequenz mit komfortabler Phasengenauigkeit, nicht nur die Amplitude. |
| Energie- und Verlustabrechnung, die Sie für thermische Prüfungen verwenden werden | Umschaltmodell, wenn Verluste von Welligkeit und Flankentiming abhängen | Der Zeitschritt ist so klein, dass der integrierte Verlust pro Zyklus konvergiert und nicht mit der Schrittweite driftet. |
Verwenden Sie numerische Stabilitätsprüfungen, um sicherzustellen, dass der Zeitschritt klein genug ist.
Ein Zeitschritt ist „klein genug“, wenn Ihre Ergebnisse konvergieren und der Solver ohne künstliche Dämpfung stabil bleibt. Konvergenz bedeutet, dass sich die für Sie wichtigen Werte nur unwesentlich ändern, wenn Sie den Zeitschritt halbieren, und nicht, dass die Wellenformen glatt aussehen. Stabilität bedeutet, dass die Energie nicht ohne physikalischen Grund wächst und die Schwingungen eher der Schaltungsphysik als numerischen Artefakten entsprechen.
Beginnen Sie mit zwei schnellen Überprüfungen: Führen Sie denselben Fall mit einem kleineren Zeitschritt aus und vergleichen Sie eine kleine Reihe von Metriken. Überprüfen Sie dann, ob nicht-physikalisches Verhalten auftritt, wie z. B. negative Verluste, Schwingungen, die nur bei einer Schrittgröße auftreten, oder Klingeln, das die Frequenz verschiebt, wenn Sie die Feinabstimmung vornehmen. Spitzen sind oft das Erste, was sich bewegt, wenn der Zeitschritt zu groß ist, da sie ohne offensichtliche Warnung abgeschnitten oder zeitlich verschoben werden können. Wenn Sie Instabilität feststellen, behandeln Sie diese als Modellierungssignal, da parasitäre Induktivität, ideale Schalter und starre Steuerungsmaßnahmen das System numerisch hart machen können, selbst wenn die Topologie in Ordnung ist.
Werkzeuge sind hilfreich, wenn sie transparent bleiben. SPS SOFTWARE unterstützt offene, editierbare Komponentenmodelle, sodass Sie die Gleichungen überprüfen, starre Elemente identifizieren und entscheiden können, ob Sie praktische Dämpfung hinzufügen, Parasiten verfeinern oder den Zeitschritt um die Teile des Netzwerks herum reduzieren sollten, die die schnellste Dynamik erzeugen. Dieser Arbeitsablauf ist in der Regel besser als Trial-and-Error, da Sie erfahren, welche physikalischen Vorgänge das numerische Problem verursacht haben.
Ausgewogenheit zwischen Laufzeit und Genauigkeit durch lokale Verfeinerung und Ereignisbehandlung
Die Laufzeitsteuerung erfolgt durch die Anwendung einer hohen Auflösung an den entscheidenden Stellen und einer geringeren Auflösung an den weniger wichtigen Stellen. Schaltübergänge und hochfrequente Resonanzen erfordern kleine Zeitschritte, während sich viele Teile eines Stromnetzmodells nur langsam entwickeln. Eine ausgewogene Konfiguration konzentriert die hohe Auflösung auf Umrichter und empfindliche Knotenpunkte und verwendet an anderen Stellen eine geringere Auflösung, sofern der Simulator dies unterstützt.
Lokale Verfeinerung ist am effektivsten, wenn sie mit einem Messbedarf übereinstimmt. Wenn Sie sich nur für die Netzspannungsverzerrung am gemeinsamen Kopplungspunkt interessieren, können Sie detaillierte Schaltvorgänge innerhalb des Wandlers beibehalten und reduzierte Details oder Aggregationen für entfernte Zuleitungen verwenden. Wenn Sie sich für die Belastung der Geräte interessieren, behalten Sie die Details in der Nähe der Geräte bei und vermeiden Sie Rechenzeit für Fernfelddynamiken, die keinen Einfluss auf Spitzen innerhalb einer Schaltperiode haben.
Die Ereignisbehandlung ist wichtig, da der Wechsel diskontinuierlich erfolgt. Wenn Ihr Simulator Gate-Ereignisse explizit modelliert, sollten diese Ereignisse zu konsistenten Zeitpunkten auftreten, da Ihr Arbeitszyklus sonst vom Zeitschritt abhängig wird. Wenn Ihr Simulator adaptive Zeitschritte verwendet, benötigen Sie dennoch Leitplanken, damit der Zeitschritt nicht durch ein Intervall, in dem Welligkeit interpretiert wird, zu groß wird. Das Ziel ist nicht ein „schneller Lauf“, sondern ein Lauf, bei dem jede Sekunde der Berechnung Informationen liefert, die Sie verteidigen können.
„Die sinnvollste Vorgehensweise ist, zunächst aufzuschreiben, was gemessen werden soll, und dann nachzuweisen, dass Ihr Zeitschritt dies auch messen kann.“
Vermeiden Sie häufige Fehler bei der Zeitschrittgröße, die Ripple und Aliasing verbergen.
Die meisten schlechten Konverterergebnisse sind auf einige wenige wiederholbare Fehler zurückzuführen, die die Diagramme plausibel erscheinen lassen, während wichtige Kennzahlen abweichen. Aliasing ist dabei am gefährlichsten, da es hochfrequente Inhalte in niederfrequente Artefakte umwandelt, die wie Steuerungsprobleme oder Resonanz aussehen. Bei einer disziplinierten Einrichtung werden Zeitschritt, Ausgabesampling und Schaltlogik als ein System behandelt.
- Auswahl eines Zeitschritts, der zu wenige Punkte pro Umschaltperiode liefert, und anschließendes Vertrauen in die Welligkeit und den Spitzenstrom
- Speichern von Wellenformen mit einem groben Ausgangsintervall, das Schaltwelligkeiten in falsche Niederfrequenzschwingungen umwandelt
- Verwendung idealer Schalter ohne parasitäre Effekte, dann Kompensation durch einen übermäßig großen Zeitschritt, der wie eine versteckte Dämpfung wirkt.
- Zulassen, dass Schaltvorgänge zwischen Zeitschritten liegen, sodass sich der effektive Arbeitszyklus mit der Schrittweite verschiebt
- Nur Durchschnittswerte validieren, dann übersehen, dass Spitzen und Verluste nicht konvergiert sind
Dieser Nachweis kann ganz einfach sein, beispielsweise indem man den Zeitschritt halbiert, bis sich Spitzenwerte, Welligkeit und integrierte Verluste nicht mehr signifikant verändern. Wenn Sie dies einige Male wiederholt haben, werden Sie erkennen, wann ein Modell für das Untersuchungsziel zu detailliert oder zu stark gemittelt ist, um eine hardwarebezogene Entscheidung zu unterstützen.
SPS SOFTWARE eignet sich am besten, wenn Sie die Modellierung als eine Ingenieursdisziplin und nicht als einen Black-Box-Vorgang betrachten. Transparente Modelle erleichtern es, zu erklären, warum Sie sich für ein Schaltmodell entschieden haben, warum Sie einen bestimmten Zeitschritt gewählt haben und warum die Ergebnisse Bestand haben, wenn jemand fragt, was sich bei einer Änderung der Schrittweite geändert hat. Diese Gewohnheit macht die Umrichter-Simulation von „sieht richtig aus“ zu „ist richtig genug, um darauf zu reagieren“.
