Vergleich von Wandlermodellen auf Geräteebene und mit Schaltfunktion

Wichtigste Erkenntnisse

• Die Genauigkeit des Wandlermodells sollte sich am Testziel orientieren, da jede Stufe bestimmte elektrische Effekte beibehält oder entfernt.
• Durchschnittsmodelle eignen sich am besten für die Steuerungsentwicklung, Schaltfunktionsmodelle für die Analyse von Wellenformen und Schutzuntersuchungen, und Modelle auf Geräteebene sind am besten für Belastungs- und Verlustanalysen geeignet.
• Ein einziger Workflow, der alle drei Ebenen abdeckt, reduziert Nacharbeiten und sorgt dafür, dass sich die Validierung auf die Nachweisführung konzentriert, anstatt auf die Neugestaltung des Modells.

Ihr Modell sollte nur so detailliert sein, wie es für die zu beweisende Aussage erforderlich ist.

Die Validierung von Umrichtern verlangsamt sich, wenn Teams die Modellgenauigkeit als Testanforderung betrachten. Im Jahr 2024 wurden mehr als 17 Millionen Elektroautos verkauft, was bedeutet, dass mehr Traktionsumrichter, Bordladegeräte und Netzschnittstellen geprüft werden müssen. Bessere Ergebnisse lassen sich erzielen, indem man das Modell an die jeweilige Untersuchung anpasst und die Modellgenauigkeit nur dort erhöht, wo Schaltvorgänge, Verluste oder die Belastung der Bauteile von Bedeutung sind. Modelle auf Bauteilebene, Schaltfunktionsmodelle und gemittelte Modelle beantworten unterschiedliche Fragen. Ein Schaltfunktionsmodell läuft schnell, da es die Physik der Halbleiter außer Acht lässt, während ein Modell auf Geräteebene diese Effekte berücksichtigt und dafür den Preis in Form von Laufzeitkosten zahlt.

Ihr Studienziel bestimmt die erforderliche Modellgenauigkeit

Die Modellgenauigkeit sollte auf die technische Fragestellung abgestimmt sein, da jedes Wandlermodell eine andere Ebene der physikalischen Zusammenhänge ausblendet. Gemittelte Modelle zeigen langsame Anlagenreaktionen und Regelungswechselwirkungen. Schaltfunktionsmodelle bewahren das Timing der Gates und die Struktur der Wellenformen. Modelle auf Bauteilebene behalten das Verhalten von Halbleitern bei, das Belastungen, Verluste und Fehlertransienten beeinflusst.

• Wählen Sie ein gemitteltes Modell für die Schleifenoptimierung.
• Wählen Sie ein Modell mit Schaltfunktion für die Prüfung auf Welligkeit und Oberschwingungen aus.
• Wählen Sie ein Modell auf Geräteebene für Verlust- und „ Vorteil “-Effekte.
• Erhöhen Sie die Genauigkeit im Zusammenhang mit einem Schutzereignis.
• Behalte das einfachste Modell, das die Testfrage beantwortet.

Ein bidirektionales Onboard-Ladegerät veranschaulicht diesen Ablauf. In der frühen Phase der Regelungsentwicklung sind die Dynamik bei Netzfrequenz, der Leistungsfluss auf der Batterieseite und die Bandbreite der Stromschleife von Bedeutung, sodass ein gemitteltes Modell ausreicht. Totzeit, PWM-Wechselwirkung oder Gleichtaktstrom erfordern eine Untersuchung auf Schaltstufe. Thermische Sicherheitsmarge, Diodenrücklauf oder Ausschalt-Überschwingen erfordern eine Untersuchung auf Bauteilebene. Diese Abfolge sorgt dafür, dass sich Ihr Aufwand an den tatsächlichen Gegebenheiten orientiert.

„Die Modellgenauigkeit sollte auf die technische Fragestellung abgestimmt sein, da jedes Wandlermodell eine andere Ebene der physikalischen Zusammenhänge außer Acht lässt.“

Modelle auf Geräteebene bilden das Verhalten von Halbleitern bei jedem Übergang ab

Modelle auf Bauteilebene simulieren jeden Zustandsübergang im Halbleiter sowie die elektrischen Effekte, die Strom, Spannung und Verluste beeinflussen. Sie liefern Antworten auf Fragen zum Einschalten, Ausschalten, zur Rückwärtserholung, zur Diodenleitung und zur Schaltleistung. Man setzt sie ein, wenn sich das Ergebnis durch die Physik der „ Vorteil “ ändert. Diese Detailgenauigkeit geht jedoch zu Lasten kleinerer Zeitschritte und eines höheren Rechenaufwands.

Ein konkretes Beispiel ist eine Halbbrücke aus Siliziumkarbid. Gate-Widerstand, Schleifeninduktivität und Bauelementkapazitäten beeinflussen das Überschwingen und das Nachschwingen beim Ausschalten. Ein Modell auf Bauelementebene kann die Drain-Source-Spitze, den Stromauslauf und die während des Vorgangs abgegebene Energie darstellen. Diese Details sind wichtig, wenn die Klemmkonstruktion oder die thermische Reserve knapp bemessen sind. Bei einem vereinfachten Schalter gehen diese Wellenformen verloren, selbst wenn der Durchschnittsstrom korrekt erscheint.

Diese Genauigkeit ist auch hilfreich, wenn Sie Snubber, Soft-Switching-Intervalle oder die Leitung der Body-Diode während der Totzeit validieren. Der Nachteil ist die Skalierbarkeit. Ein detailliertes Modell, das für einen Wandlerzweig funktioniert, kann sehr aufwendig werden, wenn Sie einen Motor, ein Gittermodell und einen vollständigen Regelungsstapel hinzufügen. Deshalb gehört die Arbeit auf Bauteilebene dorthin, wo die Physik des Bauteils die Antwort liefert.

Schaltfunktionsmodelle bewahren den Kommutierungszeitablauf unter Verzicht auf die Gerätephysik

Ein Schaltfunktionsmodell behält die Schaltbefehle und die Kommutationsfolge bei, ersetzt dabei jedoch die Halbleiterphysik durch ein vereinfachtes Schaltverhalten. PWM-Muster, Totzeitverzerrungen und Oberwellenanteile sind weiterhin zu erkennen. Auch Stromwelligkeit und Phasen Partnerschaften bleiben erhalten. Ladungsspeicherung, Details zur Rückwärtserholung oder die Energie der „ Vorteil “ bei jedem Übergang werden jedoch nicht erfasst.

Ein Drehstrom-Motorwechselrichter eignet sich gut für diese Stufe. Sie können die Stromverzerrung in der Leitung, die Modulationsgrenzen, die Buswelligkeit und das Zusammenspiel mit dem Regler anhand eines tatsächlichen Gating-Vorgangs überprüfen. Sie beobachten weiterhin eine Sättigung des Tastverhältnisses und Phasenspannungsverschiebungen um den Nulldurchgang herum. Diese Effekte sind für die Validierung der Regelung und die Dimensionierung der Filter von Bedeutung. Sie erfordern keine umfassenden Kenntnisse der Halbleiterphysik.

Modelle mit Schaltfunktion sind oft der beste Mittelweg, wenn Sie zwar Ereigniszeitpunkte, aber keine Details zu den Übergängen benötigen. Sie behalten genügend Struktur bei, um Modulation, Stromwelligkeit und das Verhalten der Oberschwingungen bei Lastsprüngen oder im regenerativen Betrieb zu überprüfen. Die Laufzeit bleibt überschaubar, wenn der Umrichter in einem größeren Anlagemodell eingebettet ist. Diese Ausgewogenheit macht diese Modelle zur praktischen Standardwahl für viele „ hardware-in-the-Loop“-Prüfstände.

In gemittelten Modellen wird das Umschalten entfernt, um langsame Dynamiken sichtbar zu machen

Ein gemitteltes Wandlermodell ersetzt Schaltvorgänge durch deren über den Zyklus gemittelte Auswirkungen auf Spannungen und Ströme. Es filtert die Trägerwelligkeit heraus, sodass Sie sich auf das Anlagenverhalten, die äußeren Regelkreise und Verschiebungen des Arbeitspunkts konzentrieren können. Dies ist der schnellste Weg, um das Verhalten im Zeitbereich von Millisekunden bis Sekunden zu untersuchen. Außerdem lässt sich auf diese Weise die Regelstruktur am deutlichsten erkennen.

Eine Boost-Stufe in einem Batterieladegerät verdeutlicht, warum dies von Bedeutung ist. Änderungen des Tastverhältnisses wirken sich direkt auf die Ausgangsspannung und den Induktivitätsstrom aus, ohne dass dabei das visuelle Rauschen einer Schalt-Trägerfrequenz auftritt. Dadurch lassen sich die Startsequenz, die Busregelung und die Batteriestrombegrenzung einfacher abstimmen. Sie können lange Transienten durchlaufen lassen und die Verstärkungsfaktoren des Reglers überprüfen, ohne irrelevante hochfrequente Welligkeit aussortieren zu müssen.

Die Entwicklung eines Regelkreises beginnt mit einem gemittelten Modell

Die Auslegung der Regelung sollte mit einem gemittelten Modell beginnen, da sich die Regelstruktur, die Bandbreite und die Sättigungsgrenzen deutlich erkennen lassen, sobald die Schaltwelligkeit beseitigt ist. So lassen sich Strom-, Spannungs- oder Leistungskreise schneller abstimmen. Außerdem vermeidet man, dass man Trägerwelligkeit fälschlicherweise für Instabilität hält. Dadurch bleibt der Fokus bei den ersten Regelungsarbeiten erhalten.

Bei einem netzgekoppelten Wechselrichter liegt der Vorteil auf der Hand. Sie können die innere dq-Stromschleife abstimmen, die äußere Gleichstrombus-Schleife darüberlegen und die Kreuzkopplungsterme übersichtlich untersuchen. Die Einstellungen der Phasenregelschleife, die Feedforward-Terme und die Anti-Windup-Grenzen treten ohne den Schalt-Träger deutlich hervor. Diese Übersichtlichkeit verkürzt den Weg zu einem stabilen Regler und reduziert Fehlalarme.

Eine noch höhere Genauigkeit kommt später in der Abfolge zum Tragen. Sobald die Schleifenverstärkungen, die Limiter-Logik und die Betriebsbereiche festgelegt sind, zeigt ein Modell der Schaltfunktion, wie PWM-Verzögerung, Abtastung und Totzeit das Verhalten des Reglers beeinflussen. Dieser Schritt deckt praktische Probleme auf, ohne bewährte Regelungsergebnisse außer Acht zu lassen. Details auf Bauteilebene kommen zuletzt zum Tragen, wenn die Schaltphysik das Ergebnis des Reglers beeinflusst.

In Schutzstudien müssen für jedes Ereignis die Schaltdetails angegeben werden

Bei der Validierung von Schutzfunktionen sind detaillierte Schaltdaten erforderlich, wenn die Auslöselogik von der Timing-Kurve „ Vorteil “, der Stromsteigung oder kurzen Transienten abhängt. Gemittelte Modelle glätten genau das Verhalten, das von Überstrom-, Entsättigungs-, Shoot-Through- und Blanking-Logik erkannt werden muss. Ein Modell der Schaltfunktion stellt oft die minimal erforderliche Genauigkeit dar. Details auf Bauteilebene sind wichtig, wenn die Physik des Bauteils den Auslösepfad verändert.

Ein Kurzschlusstest für einen Motorumrichter ist ein gutes Beispiel dafür. Der Strom kann innerhalb von Mikrosekunden ansteigen, und der Regler, die Gate-Einheit und die Schutzlogik reagieren jeweils auf unterschiedlichen Zeitskalen. Ein Modell der Schaltfunktionen macht Zustände, Totzeiten und Bus-Wechselwirkungen sichtbar, sodass Sie erkennen können, mit welchem Ereignis die Fehlerlogik konfrontiert wird. Das reicht für viele Überstrom- und Ausblendungsanalysen aus.

In manchen Fällen sind genauere Angaben erforderlich. Entsättigungsschwellen, Diodenrückführung oder aktive Klemmung können Strom und Spannung im Moment der Abschaltung beeinflussen. Ein Modell auf Bauteilebene erfasst diese Effekte und zeigt, ob eine Fehlauslösung oder eine verzögerte Auslösung auf den „ hardware “ zurückzuführen ist. Diese Unterscheidung ist wichtig, wenn derselbe Schutzcode bei einem Gerätestapel funktioniert, bei einem anderen jedoch versagt.

Die Schadensschätzung profitiert von detaillierten Daten auf Geräteebene

Eine Verlustschätzung ist nur dann aussagekräftig, wenn das Modell die Spannungs- und Stromverläufe berücksichtigt, denen jedes Bauelement während der Leitungs- und Schaltphase tatsächlich ausgesetzt ist. Modelle auf Basis von Durchschnittswerten und Schaltfunktionen können zwar Betriebspunkte einstufen, sind jedoch nicht in der Lage, die Energie bei „ Vorteil “, die Rücklaufenergie oder das temperaturempfindliche Verhalten der Bauelemente vollständig zu erfassen. Daher sind Prüfpunkte auf Bauelementebene die sicherere Wahl, wenn die Wirkungsgrad- oder thermischen Grenzwerte fast erreicht sind.

Ein Traktionswechselrichter aus Siliziumkarbid veranschaulicht das Problem. Zwei Betriebspunkte können denselben Durchschnittsstrom führen, doch bei einem erfolgt die Umschaltung bei einer Sammelschienenspannung und einem Phasenwinkel, die eine höhere Ausschaltleistung erzeugen. Die thermische Sicherheitsmarge, die Größe der Kühlplatte und die Regeln zur Leistungsreduzierung hängen von diesem Unterschied ab. Das US-Energieministerium stellt fest, dass Leistungselektronik bis 2030 voraussichtlich etwa 80 % des Stroms verarbeiten wird. Damit wird die Ermittlung von Verlusten zu einer wichtigeren Aufgabe als die reine Berichterstattung.

Der optimale Arbeitsablauf nutzt Details selektiv. Mit dem eHS-Solver in OPAL-RT können Sie von einem Effizienz-Sweep der Schaltfunktion zu einem Prüfpunkt auf Bauteilebene wechseln, ohne den Rest des Testfalls neu erstellen zu müssen. Sie behalten die gleichen Steuerungen und Anlagenschnittstellen bei und wenden den hohen Rechenaufwand nur dort an, wo ein Vertrauensverlust von Bedeutung ist. Dieser Ansatz liefert präzisere Ergebnisse als die durchgängige Verwendung eines vereinfachten Modells.

Jede Genauigkeitsstufe sollte von einer Plattform unterstützt werden

Der optimale Arbeitsablauf führt dazu, dass Mittelwert-, Schaltfunktions- und Geräteebene-Modelle auf einem Ausführungspfad zusammengefasst werden, sodass Sie die Genauigkeit nur dort erhöhen können, wo die Datenlage dies erfordert. Dadurch bleiben die Schnittstellen zwischen Steuerung, Anlage und Test konsistent. Sie können Ihre Zeit darauf verwenden, die technischen Fragen zu klären, anstatt den Modellstapel neu aufzubauen. Die Konsistenz über alle Phasen hinweg ist es, die die Modellauswahl zu einer zuverlässigen Validierung macht.

Ein Programm zur Umwandlung von Gleichstrom in Gleichstrom veranschaulicht den Ablauf. Frühe Arbeiten konzentrieren sich auf den Anlauf, die Strombegrenzung und die Busregelung anhand eines gemittelten Modells. In der mittleren Phase werden Tests mit einem Schaltmodell durchgeführt, um Welligkeit, Zeitsteuerung und die Wechselwirkung zwischen Abtast- und Regelverfahren zu untersuchen. Bei den abschließenden Prüfungen wird ein Teil des Falles auf die Bauteilebene verlagert, um Fälle von Verlusten, Überschwingen oder Schutz Vorteil en zu untersuchen. Das Ziel der Untersuchung bleibt unverändert, während die Modellgenauigkeit nur dort erhöht wird, wo es der Nachweis erfordert.

Diese Disziplin führt zu einem besseren technischen Urteilsvermögen, als sich automatisch auf den detailliertesten Schaltplan zu verlassen. Eine Plattform wie OPAL-RT passt zu diesem Arbeitsablauf, da sie die gesamte Genauigkeitsskala in Echtzeit unterstützt und Teams dabei hilft, einen einzigen Testpfad beizubehalten. Das Ergebnis sind schnellere Iterationen, weniger Modellüberarbeitungen und Ergebnisse, die genau auf die zu beantwortende Frage zugeschnitten sind.

„Man verbringt Zeit damit, die technische Frage zu klären, anstatt den Modell-Stack neu aufzubauen.“