Erfassung von GaN-Schalttransienten in Echtzeit-Umrichtermodellen

Wichtigste Erkenntnisse

• Schaltverluste, Spannungsreserve und leitungsgebundene Emissionen sind allesamt Integrale über den Kommutierungs Vorteil, sodass die Wahl des Zeitschritts darüber entscheidet, inwieweit diese Werte als verlässlich angesehen werden können.
• Durchschnittliche Modelle weisen in einer Richtung einen Verlust aus, wodurch optimistische thermische Ergebnisse eher ein systematisches Risiko als einen Zufallsfehler darstellen.
• Die hohe Auflösung sollte auf der Konverter-Ebene erfolgen, während das umgebende Gitter oder das Maschinenmodell grobkörniger ausgelegt ist, damit die begrenzten FPGA-Ressourcen für die schnellsten physikalischen Berechnungen genutzt werden können.

Ein GaN-Wandlermodell ist nur dann von Nutzen, wenn die Schalt Vorteil e scharf genug bleibt, um abgelesen werden zu können.

Die meisten dreiphasigen, netzgekoppelten Leistungselektronik-Systeme schalten noch immer unterhalb von 20 kHz, während das US-Energieministerium nun darauf hinweist, dass Wide-Bandgap- hardware e bis 2035 bei Leistungsstufen über 500 kW auf über 500 kHz zunehmen werden. Jeder Schritt in Richtung höherer Schaltgeschwindigkeit verkürzt das Zeitfenster, das ein Simulator auflösen muss, und GaN-Bauelemente kommutieren innerhalb weniger Nanosekunden. Ein Modell, das in Mikrosekunden schrittweise berechnet, mittelt diese „ Vorteil “ weg und liefert Ihnen eine saubere Wellenform, die die Verluste, das Nachschwingen und das Rauschen verbirgt, die Sie eigentlich messen wollten.

Vorteil Die Genauigkeit ist eine Modellierungsentscheidung, die Sie vor dem ersten Durchlauf treffen, und sie legt fest, inwieweit Sie das Verhalten von „ hardware “ überhaupt erkennen werden. Entwickler, die das Schaltintervall als Einheit der Genauigkeit betrachten, erhalten Effizienzwerte und EMI-Prognosen, auf deren Grundlage sie handeln können. Diejenigen, die es als Rundungsfehler betrachten, zahlen später auf dem Prüfstand den Preis dafür.

Was ein GaN-Schalttransient beinhaltet und wie schnell er abläuft

Ein GaN-Schalttransient ist der Zeitraum von wenigen Nanosekunden, in dem das Bauelement zwischen vollständiger Sperrung und vollständiger Leitung wechselt, was mit steilen dv/dt- und di/dt-Werten, Gate-Ringing und Induktivitätseffekten des Gehäuses einhergeht. Der Großteil der Schaltverluste und der Energie des leitungsgebundenen Rauschens eines Wandlers entfällt auf dieses kurze Zeitfenster.

Ein 650-V-GaN-Transistor im Enhancement-Modus in einer 1-kW-Totem -Pole-Leistungsfaktorkorrekturstufe durchläuft mehrere hundert Volt in weniger als fünf Nanosekunden, und das Schleifenschwingen klingt in den folgenden zwanzig bis vierzig Nanosekunden ab. Wenn man diesen Zeitraum mit 10 ns abtastet, sieht man einen Sprung. Bei einer Abtastung mit 250 ps erkennt man den Spitzenwert, die Schwingungsfrequenz und das Verlustintegral.

Die Zahlen, über die Ingenieur:innen diskutiert wird, sind allesamt Integrale über diesen Bereich Vorteil. Der Schaltverlust ist das Produkt aus Spannung und Strom während des Kommutierungsintervalls, die Spitzenspannung legt den Sicherheitsabstand zur Nennleistung des Bauteils fest, und die Ringfrequenz bestimmt den ersten Emissionspeak. Verliert man die Form der Vorteil aus den Augen, werden alle drei Werte zu Schätzungen.

Warum grobe Simulationsschritte die Details ausblenden, die Designer benötigen

Ein Simulationszeitschritt wirkt wie ein Tiefpassfilter auf alle abgetasteten Werte. Ist der Zeitschritt länger als die Transiente, gibt der Solver einen über das Intervall gemittelten Wert aus, sodass die Spitze verschwindet, der Nachhall nie abgetastet wird und das Verlustintegral gegen den Idealfall konvergiert.

Ein 10-µs-Schritt in einem 100-kHz-GaN-Wandler liefert zehn Abtastwerte pro Schaltperiode, was die Grundschwingung beschreibt, nicht jedoch die Vorteil. Nützliche Vorteil -Verläufe treten im Bereich von 10 ns bis 25 ns auf, was etwa zweihundertmal feiner ist als die Schaltperiode. Gemittelte Modelle streuen nicht um den wahren Wert herum, sondern liegen darunter, da jeder vernachlässigte Peak und jeder nicht abgetastete Ringzyklus Energie aus dem Ergebnis entzieht. Teams, die Kühlkörper anhand dieser Ausgabe dimensionieren, erhalten auf dem Prüfstand zu warme Ergebnisse und können nicht feststellen, ob der Fehler stammte vom Gerätemodell, dem thermischen Netzwerk oder dem Zeitschritt herrührt.

„Gemittelte Modelle streuen nicht um den wahren Wert herum, sondern liegen darunter, denn jeder vernachlässigte Peak und jeder nicht erfasste Ringzyklus entzieht dem Ergebnis Energie.“

Wie die Architektur des Solvers die Genauigkeit bei transienten Berechnungen begrenzt

Die Untergrenze für den Zeitschritt hängt davon ab, welchen Teil des Wandlermodells der Solver zwischen den einzelnen Schritten berechnet. CPU-basierte Echtzeit-Solver liegen im Bereich von etwa 10 µs bis 50 µs. FPGA-basierte Solver führen die Schaltphase in paralleler Logik aus und erreichen Schritte im Nanosekundenbereich, was dem von einem GaN- Vorteil n geforderten Bereich entspricht.

Diese Aufteilung spielt vor allem bei der „ hardware -in-the-Loop“-Methode eine entscheidende Rolle. Ein dreiphasiges Wechselrichtermodell auf einem Allzweckprozessor verbraucht sein Schrittbudget darauf, das Netzwerk nacheinander zu berechnen. Verlegt man die Schaltstufe auf die FPGA-Struktur, so löst derselbe Umrichter die Berechnung in 250 ns oder weniger, sodass der Regler Flanken wahrnimmt, die so geformt sind, wie „ hardware “ sie formt. OPAL-RT hat den eHS-Solver auf dieser Aufteilung aufgebaut, wobei die Leistungsstufe in der FPGA-Logik berechnet wird, während das langsamere Anlagenmodell auf dem Prozessor verbleibt.

Der Kompromiss liegt in der Modellgröße. Da die FPGA-Ressourcen begrenzt sind, verfügt ein Solver im Nanosekundenbereich nur über eine begrenzte Anzahl von Schaltern und Knoten. Sie erhalten die „ Vorteil “-Genauigkeit und planen die Partitionierung entsprechend – in der Regel wird dabei nur die Wandlerstufe mit hoher Auflösung versehen.

Die Wahl zwischen Modellen mit gemitteltem und mit umschaltendem Spannungswandler

Der Hauptunterschied zwischen einem gemittelten Modell und einem Modell mit Schaltzuständen besteht darin, welche Informationen jeweils verworfen werden. Ein gemitteltes Modell ersetzt den Schaltvorgang durch dessen mittleres Auswirken über einen bestimmten Zeitraum, wodurch es schnell läuft und stabil bleibt. Ein Modell mit Schaltzuständen berechnet jeden einzelnen Schaltvorgang, was Rechenaufwand verursacht und zu Verlusten, Schwingungen und Rauschanteilen führt.

Beides gehört in ein Programm, allerdings an unterschiedlichen Stellen. Untersuchungen zur Bandbreite von Regelkreisen lassen sich problemlos mit gemittelten Modellen bei 50 µs durchführen, da die zu prüfende Regelkreisdynamik deutlich unterhalb der Schaltfrequenz liegt. Für die thermische Auslegung, die EMI-Vorprüfung und die Validierung des Gate-Drivers ist die „ Vorteil “ erforderlich.

Die Folgen einer falschen Berechnung gehen in eine Richtung. Ein für thermische Berechnungen verwendetes, gemitteltes Modell unterschätzt die Verluste und liefert zu optimistische Sperrschichttemperaturen, was dazu führt, dass hardware im Labor zu hohe Temperaturen aufweist.

Wie die Auflösung der „ Vorteil “ die Effizienz- und EMI-Prognosen beeinflusst

Die Ergebnisse hinsichtlich Wirkungsgrad und EMI werden innerhalb des Schalt Vorteil s ermittelt und hängen daher von der Auflösung des Modells ab, mit dem sie erzeugt wurden. Die Schaltverluste skalieren mit der Überlappung von Spannung und Strom während der Kommutierung, und die Spitzenwerte der leitungsgebundenen Emissionen folgen der Ringfrequenz, die durch die Schleifeninduktivität und die Bauteilkapazität bestimmt wird.

Die durch GaN erzielte Effizienzsteigerung ist prozentual gesehen gering, hat jedoch erhebliche Auswirkungen. Ein im Rahmen des 4E-Programms der Internationalen Energieagentur getestetes GaN-Laptop-Ladegerät erreichte einen Wirkungsgrad von 86 %, während sein Silizium-Pendant bei 81,4 % lag; dieser Unterschied ist fast ausschließlich auf kürzere Kommutierungsintervalle zurückzuführen. Ein Modell, das diese Intervalle glättet, weist für beide Geräte nahezu identische Werte aus, wodurch der Grund für die Wahl von GaN gänzlich entfällt.

EMI weist die gleiche Störstrahlung auf. Der erste Spitzenwert der leitungsgebundenen Emissionen bei einem schnellen GaN- Vorteil liegt häufig zwischen 30 MHz und 100 MHz, was ein 1-µs-Modell nicht abbilden kann, da seine Abtastrate auf 500 kHz begrenzt ist. Teams, die dies nach dem Vorab-Konformitätsscan feststellen, bauen den Filter erst spät um.

„Die Ergebnisse hinsichtlich Wirkungsgrad und elektromagnetischer Störaussendung (EMI) werden innerhalb des Schalt Vorteil s ermittelt und spiegeln daher die Genauigkeit des Modells wider, mit dem sie erzeugt wurden.“

Häufige Fehler, die Schaltverluste bei der Simulation von Umrichtern verschleiern

Die meisten übersehenen Schaltverluste sind eher auf Vereinfachungen bei der Modellierung zurückzuführen als auf ein falsches Bauteil-Datenblatt. Ideale Schaltelemente – ohne parasitäre Induktivität, mit konstanter Sperrschichttemperatur und Zeitschritten, die eher im Hinblick auf die Stabilität des Lösers als auf physikalische Gegebenheiten gewählt wurden – führen dazu, dass die angegebenen Verluste unter den Werten liegen, die sich aus der Gleichung „ hardware “ ergeben.

Diese fünf tauchen bei der Arbeit mit Konvertern am häufigsten auf.

• Ideale Schaltelemente mit einer Übergangszeit von Null, die unabhängig von der Geschwindigkeit des Bauteils einen Schaltverlust von Null melden.
• Die Induktivität der Kommutierungsschleife wurde weggelassen, wodurch die Spannungsspitze und der Ring, die die Sicherheitsmarge und den Rauschanteil bestimmen, entfallen.
• Ein Zeitschritt, der eher zur Gewährleistung der Stabilität des Solvers als zur Erfassung des Übergangs gewählt wurde, sodass der „ Vorteil “ vor der Messung gemittelt wird.
• Die Sperrschichttemperatur wurde während des gesamten Versuchs konstant gehalten, wodurch die Leitungsverluste unterschätzt werden, da sich das Bauelement unter Last erwärmt.
• Die Rückwärtsleitung in GaN wird mit einem Silizium-Körperdiodenmodell modelliert, bei dem der höhere Spannungsabfall im dritten Quadranten während der Totzeit nicht berücksichtigt wird.

Jede einzelne Maßnahme ist für sich genommen vertretbar, insgesamt jedoch kostspielig. Ein Modell, das alle fünf Maßnahmen umfasst, weist eine GaN-Stufe mit 1 kW und einem Wirkungsgrad von 99 % auf, während der Messwert auf dem Prüfstand bei 97,5 % liegt; die Differenz von 15 W lastet auf einem Kühlkörper, der dafür nicht ausgelegt ist.

Was ein diszipliniertes Verfahren zur Erfassung von Transienten einem Ingenieurteam bietet

Teams, die die Schalt Vorteil en frühzeitig klären, vermeiden es, auf der Entwicklungsbank immer wieder auf dieselben Probleme zu stoßen. Thermische Spielräume, Filterdimensionierung und Gate-Timing werden festgelegt, solange Änderungen noch kostengünstig sind, und der Aufbau der „ hardware “ basiert auf Werten, die sich bereits in der Prüfung bewährt haben.

Der Wert summiert sich im Laufe eines Projekts. Ein Konvertermodell, das den tatsächlichen Verlust mit einer Auflösung von 250 ns angibt, wird zur Referenz, auf die sich alle späteren Entscheidungen stützen. Wenn der Prototyp Ergebnisse liefert, die nur ein oder zwei Watt davon abweichen, hört man auf, über das Modell zu diskutieren, und beginnt, über das Design zu diskutieren. Das ist ein weniger offensichtlicher Vorteil als eine schnellere Simulation, und genau diesen Vorteil schützen erfahrene Teams.

Echtzeitplattformen von OPAL-RT fügen sich in diesen Arbeitsablauf ein, da der FPGA-Solver die „ Vorteil “ sichtbar hält, während ein physikalischer Regler im Regelkreis verbleibt. Was Sie also in der Simulation validieren, entspricht genau dem, was der Regler in der „ hardware “ vorfindet. Die Disziplin ist jedoch wichtiger als die Plattform. Wählen Sie die Auflösung, die die Physik erfordert, behalten Sie grobe Modelle für die Fragestellungen bei, bei denen dies sinnvoll ist, und schon ist der Schaltvorgang nicht mehr der Teil, von dem Sie erst als Letztes erfahren.