Durchführung von Doppelimpulstests in der Simulation vor dem Bau der Hardware

Wichtigste Erkenntnisse

• • In der Simulation sollten die Testbedingungen für den Doppelimpulstest festgelegt werden, bevor die Hardware mit Strom versorgt wird.

  • Glaubwürdige Ergebnisse zu Schaltverlusten hängen von einer expliziten Modellierung der Kommutationsschleife und der Impulszeitabfolge ab.

  • Die Benchmark-Validierung liefert bessere Ergebnisse, wenn das Modell das erwartete Verhalten der Wellenform bereits erklärt.

Wenn man den Doppelimpulstest zunächst in der Simulation durchführt, spart man Geräte, Zeit und vermeidet Fehlstarts auf dem Prüfstand.

Schaltleistung, Überschwingzeit und Stromanstiegsgeschwindigkeit lassen sich besser einschätzen, wenn man sie untersucht, bevor Messsonden, Halterungen und Layout-Rauschen ins Spiel kommen. Die Verkaufszahlen von Elektroautos erreichten im Jahr 2024 die 17-Millionen-Marke, was den Druck auf die Effizienz von Wandlern und die Messung von Halbleiterverlusten in allen Entwicklungsteams aufrechterhält. Dieser Druck macht sich schon lange vor der Fertigstellung der endgültigen Hardware bemerkbar. Mit einem sauberen Simulationsmodell können Sie den gewünschten Schaltvorgang unter den Gate-, Bus- und Lastbedingungen testen, für die das Produkt ausgelegt ist.

Ein Doppelimpulstest auf dem Prüfstand ist nach wie vor wichtig, eignet sich jedoch am besten zur Bestätigung. Sie können die Laborzeit besser nutzen, wenn Ihr Stromziel, die Totzeit, die Streuinduktivität und die Messfenster bereits festgelegt sind. Diese Vorgehensweise vermeidet vermeidbare Fehler und liefert Ihnen von Anfang an bessere Schätzungen der Ein- und Ausschaltenergie. Teams, die zunächst eine Modellierung durchführen, kommen erst dann zur Hardware, wenn sich ihre Fragen bereits auf das Layout, die Gehäuseauslegung und die Messgenauigkeit beschränken.

Ein Doppelimpulstest isoliert einen Schaltübergang

Bei einem Doppelimpulstest wird ein einzelnes Schaltvorgang unter kontrollierten Strom- und Spannungsbedingungen isoliert. Der erste Impuls baut den gewünschten Strom auf. Der zweite Impuls zwingt das Bauelement zu einem Ein- oder Ausschaltvorgang. Aus diesem Grund gilt diese Methode als Standard für die Charakterisierung von Schaltverlusten.

Ein Beispiel mit einer Halbbrücke verdeutlicht dies. Man legt eine Busspannung fest, schaltet eine induktive Last in den Strompfad ein und verwendet zwei durch eine Totzeit getrennte Gate-Befehle. Der erste Befehl lässt den Strom auf einen gewählten Wert, beispielsweise 100 A, ansteigen. Der zweite Befehl erfasst das entscheidende Kommutierungsereignis, anstatt es in einer kontinuierlichen Pulsweitenmodulation zu verbergen.

Das Ergebnis sind Wellenformen, die Antworten auf praktische Fragen liefern. Man kann erkennen, wie stark der Spannungsüberschwinger ausfällt, wie steil die Stromflankensteilheit ist und wie lange die Überlappung von Spannung und Strom andauert. Viele Teams kürzen die Bezeichnung auf „DPT“ ab, und manche sprechen immer noch von einem „DPT-Test“, doch die Aufgabe bleibt dieselbe. Man isoliert ein einzelnes Ereignis, damit die gemessene Energie aussagekräftig ist.

Die Simulation bereitet den Test vor, bevor die Hardware auf dem Prüfstand zum Einsatz kommt

Die Simulation eines Doppelimpulstests verwandelt den Prüfstandplan in ein physikalisches Problem, das Sie untersuchen können, bevor überhaupt Strom angelegt wird. Sie legen zunächst die Busspannung, die Schleifeninduktivität, den Gate-Widerstand und die Impulsbreiten fest. Dadurch erhalten Sie einen stabilen Ausgangspunkt. Außerdem wird deutlich, an welchen Stellen der Prüfstandanbau anfällig sein wird.

Ein einfacher Simulationsaufbau spiegelt oft die spätere Schaltungsanordnung wider. Sie fügen ein Schaltgerät, dessen Freilaufpfad, einen Zwischenkreiskondensator, eine induktive Last und eine Gate-Befehlssequenz ein. Ein 650-V-Gerät an einem 800-V-Bus mit einer 200-µH-Last zeigt, ob Ihre Impulsbreiten den Zielstrom erreichen und ob die Totzeit eine Überlappung verhindert.

• Eine Gleichstromquelle mit einem lokalen Verbindungskondensator bestimmt die Steifigkeit des Sammelstroms.
• Ein Schaltgerätemodell mit Ausgangskapazität bestimmt die Form des Übergangs.
• Ein induktiver Strompfad legt die Stromanstiegskurve vor dem zweiten Impuls fest.
• Ein Gate-Netzwerk mit Impulszeitablauf legt die Kommutierungssequenz fest.
• Parasitäre Impedanz und Induktivität verursachen Überschwingen und Schwingungen

Dieser Schritt ist wichtig, da die Arbeit am Prüfstand teuer wird, sobald man anfängt zu raten. Ein Impuls, der auf dem Papier harmlos aussah, kann zu einer Überstrombelastung führen oder durch den Aufbau ein falsches Schwingen verursachen. Wenn man diese Probleme bereits im Modell klärt, bleibt die erste Hardware-Sitzung zielgerichtet. Man nutzt den Prüfstand dann nicht mehr dazu, die Grundlagen des Testens herauszufinden.

Das Kommutierungsschleifenmodell bestimmt die Glaubwürdigkeit der Wellenform

Das Kommutierungsschleifenmodell entscheidet darüber, ob Ihre simulierten Wellenformen zuverlässig sind. Streuinduktivität und -widerstand beeinflussen das Überschwingen, das Nachschwingen und die Stromsteigung während des Übergangs. Auch die Ausgangskapazität und die Diodenrückführung spielen eine Rolle. 

„Ein Modell, das diese Terme außer Acht lässt, liefert zwar saubere Wellenformen, liefert aber falsche Verlustwerte.“

Ein kleines numerisches Beispiel verdeutlicht, warum das so ist. Eine Schleifeninduktivität von 20 nH bei einer Stromsteigung von 2,5 kA/µs erzeugt einen zusätzlichen Überschwinger von etwa 50 V. Die SPS-SOFTWARE stellt diese parasitären Effekte als explizite Modellelemente dar, sodass Sie diese anpassen und beobachten können, welcher Teil der Wellenform sich verändert. Das ist wesentlich nützlicher, als den Schaltzweig als geschlossene Blackbox zu behandeln.

Man braucht keine perfekte Entpackung, um einen Nutzen daraus zu ziehen. Man benötigt ein Modell, das detailliert genug ist, um die Wellenformmerkmale zu reproduzieren, die sich auf Energie und Belastung auswirken. Schwingungsfrequenz, Spitzenspannung, Stromauslauf und Dioden-Erholungsspitzen sind die Merkmale, die man als Erstes abgleichen sollte. Sobald diese annähernd übereinstimmen, fungiert das Modell wie ein Vorfilter, der falsche Annahmen aussortiert.

Der erste Impuls legt den Zielstrom fest

Der erste Impuls dient dazu, den Induktionsstrom vor dem gemessenen Übergang auf einen bekannten Wert vorzuladen. Seine Breite wird anhand der Busspannung und der Lastinduktivität festgelegt. Dadurch lässt sich der Zielstrom vorhersagen. Eine gute Zielstromsteuerung ist entscheidend dafür, dass der zweite Impuls zu einem aussagekräftigen Schaltverlusttest wird.

Eine einfache Schätzung ergibt sich aus der Strom-Rampen-Beziehung. Bei 400 V an einer Induktivität von 200 µH steigt der Strom mit etwa 2 A/µs an, sodass ein erster Impuls von 50 µs bei geringem Widerstandsverlust einen Wert von etwa 100 A erreicht. Diese Schätzung liefert Ihnen eine Ausgangsbreite, bevor Sie das Modell verfeinern. Anschließend können Sie den Impuls so lange anpassen, bis der Strom genau am Testpunkt liegt.

Wird dieser Impuls falsch eingestellt, verzerrt dies alles, was danach folgt. Ein zu niedriger Stromzielwert führt zu einer Unterschätzung der Einschaltenergie. Ein zu langer Impuls erhitzt das Bauteil und verzerrt das Ergebnis gegenüber dem Zustand, den Sie untersuchen wollten. Mithilfe der Simulation können Sie diesen ersten Impuls optimieren, noch bevor die Hardware überhaupt mit Strom beaufschlagt wird.

Der zweite Impuls erfasst das Schaltereignis

Der zweite Impuls erzeugt den für Sie relevanten Übergang, nachdem bereits Strom fließt. Sein Zeitpunkt bestimmt, welches Bauelement unter Last ein- oder ausgeschaltet wird. Die Totzeit legt den anfänglichen Leitungsweg fest. Genau diese Abfolge macht den Doppelimpulstest für die Untersuchung von Schaltverlusten so nützlich.

In einem typischen Fall wird der erste Impuls genutzt, um im unteren Bauelementpfad einen Strom aufzubauen. Durch die Totzeit wird dieser Strom dann in die entgegengesetzte Diode oder den Body-Pfad verlagert. Wenn der zweite Impuls das untere Bauelement wieder einschaltet, wird der Einschaltvorgang erfasst, wobei die Diodenrücklaufphase, die Entladung der Ausgangskapazität und die Schleifeninduktivität alle vorhanden sind. Durch eine andere Wahl des Zeitablaufs kann der zweite Impuls stattdessen das Ausschalten bei demselben Strompegel erfassen.

Sie suchen nicht nur nach einer sauberen Gate-Kurve. Sie überprüfen, ob der Leitungsweg unmittelbar vor dem zweiten Impuls mit dem Ereignis übereinstimmt, das Sie messen möchten. Wenn der falsche Weg leitet, sehen Ihre Kurven zwar weiterhin „belebt“ aus, aber die extrahierte Energie beschreibt einen anderen Übergang. Die Einhaltung der zeitlichen Genauigkeit ist entscheidend für die Zuverlässigkeit des Tests.

Die gemessenen Wellenformen zeigen die Schaltbelastungen während des Kommutierungsintervalls

Die wichtigen Testkurven des Doppelimpulstests sind die Gerätespannung, der Gerätestrom und das Gate-Signal über das Kommutierungsintervall hinweg. Diese Kurven zeigen, wo Energie verloren geht und wo die elektrischen Belastungsspitzen auftreten. Sie zeigen auch, ob im Modell parasitäre Effekte nicht berücksichtigt wurden. Eine fundierte Interpretation ist wertvoller als eine bloß glatte Kurve.

Ein ansteigender Stromspitzenwert in Verbindung mit einem verzögerten Spannungsabfall deutet in der Regel auf eine Diodenrückführung oder eine zusätzliche Schleifeninduktivität hin. Mehrere Schwingungszyklen nach dem Übergang deuten oft darauf hin, dass Ihre Busschleife und die Ausgangskapazität im Modell schlecht aufeinander abgestimmt sind. Mehr als 80 % des Stroms durchlaufen vor der Nutzung mindestens einmal durch die Leistungselektronik, sodass sich kleine Wellenformfehler bei großen Fahrzeugflotten zu schlechten Wirkungsgradschätzungen ausweiten können. Deshalb ist das Lesen von Wellenformen mehr als nur eine Laborfertigkeit. Es ist ein Designfilter.

Anhand dieser Hinweise können Sie das Modell korrigieren, noch bevor eine einzige Messsonde angeschlossen wird. Außerdem geben sie Ihnen Aufschluss darüber, worauf Sie später am Messstand achten müssen. Wenn Ihre Simulation eine hohe Überschwingempfindlichkeit gegenüber wenigen Nanohenry zeigt, wissen Sie, dass Layout und Messsondenanschluss besondere Sorgfalt erfordern. Eine solche Vorbereitung verkürzt den Weg von der Erfassung der Wellenform bis hin zu einer fundierten technischen Beurteilung.

Durch separate Integrationen erhält jede Schaltleistung einen Wert

Die Einschalt- und Ausschaltenergie ergeben sich aus separaten Integrationen der Produkt aus Gerätespannung und Gerätestrom für jedes Ereignis. Das Integrationsfenster muss das Überlappungsintervall abdecken und enden, bevor spätere Nachschwingungen das Ergebnis dominieren. Dadurch bleibt jeder Energiewert einem einzelnen Übergang zugeordnet. Saubere Fenster sind genauso wichtig wie saubere Diagramme.

Ein praktisches Zeitfenster beginnt kurz bevor sich die Gerätespannung zu verändern beginnt und endet, sobald sich Strom und Spannung so weit eingependelt haben, dass nur noch ein energiearmes Nachschwingen verbleibt. Bei einem Einschaltvorgang könnte sich das Fenster 20 ns vor dem Anstieg des Stroms öffnen und nach dem Hauptspannungsabfall schließen. Bei einem Ausschaltvorgang kommt ein anderes Zeitfenster zum Tragen, da der Stromausklang und der Spannungsüberschwinger in einer anderen Reihenfolge auftreten. Sie sollten jedes Ereignis separat berechnen, anstatt zunächst einen Mittelwert zu bilden und erst später Fragen zu stellen.

Hier zeigt sich der Nutzen der Simulation. Sie können die Zeitgrenzen überprüfen, den Energieverbrauch an verschiedenen Strompunkten vergleichen und sehen, wie sich der Gate-Widerstand auf das Ergebnis auswirkt. Wenn Ihre Einschaltverluste bei einer geringen Änderung des Gate-Widerstands stark ansteigen, haben Sie eine empfindliche Designvariable identifiziert, bevor die Hardware Zeit kostet. 

„Die Benchmark-Zeit ist am effektivsten, wenn sie eine kurze Liste von Fragen beantwortet, anstatt den gesamten Test von Grund auf neu zu definieren.“

Die Laborvalidierung beginnt, sobald die Simulation dem erwarteten Verhalten entspricht

Mit der Validierung auf dem Prüfstand sollte erst begonnen werden, wenn der simulierte Doppelimpulstest das Schaltverhalten reproduziert, das Sie von dem Bauteil und der Gehäuseausführung erwarten. Das bedeutet, dass Stromzielwerte, Überschwingungsverläufe, Schwingungsfrequenz und Energiefenster bereits sinnvoll sind. Die Zeit auf dem Prüfstand wird am besten genutzt, wenn damit eine kurze Liste von Fragen beantwortet wird, anstatt den gesamten Test von Grund auf neu zu definieren. 

Ein strukturierter Arbeitsablauf ist einfach: Man passt das Modell an die gewünschte Topologie an, optimiert die parasitären Effekte, bis die Wellenformen plausibel aussehen, und wechselt dann zur Hardware, wobei die Platzierung der Messproben und die Stromziele bereits festgelegt sind. Die SPS-SOFTWARE passt sich diesem Arbeitsablauf an, da der Schaltvorgang transparent genug bleibt, sodass Sie überprüfen können, was jedes Modellelement tut. Der Vorteil besteht darin, dass Sie mit einem Test an den Prüfstand gelangen, den Sie verstehen.

Das ist die Erkenntnis, die man sich merken sollte. Tests ins Labor, aber sie sollten nicht erst dort beginnen. Durch Simulation wird ein riskantes erstes Experiment zu einem gezielten Bestätigungsschritt. So bleiben mehr Geräte unversehrt, man verbringt weniger Wochen damit, vermeidbare Einrichtungsfehler zu beheben, und erhält Ein- und Ausschaltwerte mit weitaus mehr Kontext.