Schaltungsentwurf für Leistungswandler mit MATLAB und Simscape Electrical

Einführung: Die Bedeutung der Simulation in der Frühphase

Entscheidungen in der frühen Phase der Entwicklung von Leistungswandlern und Motorantrieben spielen eine entscheidende Rolle für die Zeit und die Kosten, die erforderlich sind, um die Designkriterien zu erfüllen. Entscheidungen über Schaltungstopologien, Komponentenwahl, Regelungsstrategie und Fehlerverhalten, die vor dem Bau jeglicher Hardware getroffen werden, bestimmen die Kosten, Leistung und das Risiko von Neuentwicklungen für das gesamte Projekt.

Die digitale Simulation bietet Ingenieuren eine Möglichkeit, diese Entscheidungen zu treffen und gleichzeitig die Grundlage für eine effektive Entwicklung von Leistungswandlern und Motorantrieben in der frühen Entwurfsphase zu schaffen.

Dieses Whitepaper vermittelt Einblicke, wie MATLAB^®, Simulink^® und Simscape Electrical™ die notwendige Umgebung für Entscheidungen in der frühen Phase bereitstellen. Jeder Abschnitt behandelt eine spezifische Herausforderung in der Frühphase der Hardware-Entwicklung und erläutert, wie simulationsgesteuerte Analysen das Risiko verringern, bevor der erste Prototyp erstellt wird.

Risikominimierung in der frühen Entwurfsphase von Leistungswandlern und Motorantrieben

Während der Anfangsphasen der Schaltungsentwicklung für leistungselektronikbasierte Geräte wie Leistungswandler und Motorantriebe müssen Ingenieurteams Software verwenden, die mehrere Funktionen bietet, um den Entwicklungsraum zu erkunden. Sie möchten einfache Änderungen vornehmen, um anfängliche Konzepte zu iterieren, Fehler vor dem Hardwaretest zu finden, Kosten- und Leistungsabwägungen durchzuführen und die Schaltung als Teil eines realistischen Systems zu erkunden. Die frühzeitige Entwicklung mithilfe von Software mit diesen Fähigkeiten gewährleistet weniger Entwurfsiterationen und kostspielige Verzögerungen, wenn Sie in die Hardware-Implementierungsphase des Projekts übergehen.

Die modellbasierte Multidomänen-Simulation ermöglicht es Ingenieuren, bereits früh im Entwurfsprozess von Leistungswandlern und Motorantrieben optimale und fundierte Entscheidungen zu treffen. Durch die Kombination von Simulations-, Analyse- und Entwurfsfunktionen in einer einzigen Umgebung ermöglicht dieser Ansatz Ingenieuren, den gesamten Entwurfsraum systematisch zu durchdringen. Ingenieure können Vergleichsstudien durchführen, die mehrere und oft konkurrierende Anforderungen abdecken, wie beispielsweise die Regelungsschleifenentwicklung, dynamische Reaktion, thermische Effekte, Versorgungsqualität, Komponentenwahl und Fehleranalyse, und das alles innerhalb einer einzigen Plattform.

Mit Unterstützung für mehrere Ebenen der Modellgenauigkeit und Co-Simulationsfähigkeiten integriert sich Simscape Electrical in bestehende Workflows und bietet einen umfassenderen Ansatz als herkömmliche EDA-Tools oder reine Schaltungssimulatoren. Ingenieure können Topologie- und Architekturoptionen untersuchen, Komponenten dimensionieren und gezielte Vergleichsstudien durchführen, um wichtige Entscheidungen in den frühesten Phasen zu unterstützen. Vom Anbieter definierte Bibliotheken, Importwerkzeuge und eine umfangreiche Bibliothek von Schaltungselementen, Lasten, vorgefertigten Wandlern und Regelungsvorlagen machen die anfängliche Entwicklungserkundung schnell und flexibel. Die direkte Integration mit MATLAB ermöglicht eine schnelle Erkundung und Eingrenzung des Entwurfraums unter Berücksichtigung einer Vielzahl von Variablen und Randbedingungen.

Wesentliche Leistungsfaktoren wie Versorgungsqualität, Wärmeabfuhr, Systemeffizienz und mechanische Leistung (einschließlich Motordynamik) können alle in einer einheitlichen Umgebung analysiert werden, mit Anforderungen-Tracking und Fehlerinjektionsmöglichkeiten. Dieser integrierte Ansatz schafft ein hohes Maß an Vertrauen, bevor mit der detaillierten Entwicklung begonnen wird.

Wie Simscape Electrical Ihren Entwurfsprozess verbessert

Simscape Electrical behandelt eine Reihe von Herausforderungen in der frühen Phase des Entwurfs durch einen einheitlichen Satz von Funktionen, wie zum Beispiel:

• Vergleichsstudien, vorläufige Analyse und Optimierung
• Mehrere Ebenen der Genauigkeit
• Thermische und mechanische Analyse
• Fehlereinführung
• Frequenzbasierte Analyse
• Lieferanten-Teilebibliotheken
• Regelschleifenentwurf
• Rückverfolgbarkeit der Anforderungen
• Co-Simulation und Modell-Export

Vergleichsstudien, vorläufige Analyse und Optimierung

Simscape Electrical bietet zwei wesentliche Vorteile für das systematische Entwickeln von Umrichtern und für Vergleichsstudien in der Frühphase. Zunächst ermöglicht die direkte Integration mit MATLAB den Zugriff auf Skripting-, Entwicklungs- und Optimierungswerkzeuge für die automatisierte Erkundung des Entwurfsraums. Zweitens haben Ingenieure die Regelung über die Simulationsdetails, von der Nutzung thermisch abhängiger Transistoren bis hin zur Abstraktion von Wandlern mithilfe von Verhaltensmodellen auf hoher Ebene. Zusammen schaffen diese Merkmale eine einheitliche Umgebung, in der der Automatisierungsgrad und die Modellgenauigkeit an die spezifischen Anforderungen jedes Projekts angepasst werden können. 

Die von MATLAB gesteuerte Optimierung und Vergleichsstudien nutzen Simscape Electrical-Modelle, um mehrere Ziele und Anforderungen gleichzeitig zu erfüllen. Ziele wie Kosten, Versorgungsqualität oder Bandbreite können priorisiert und gewichtet werden, während harte Randbedingungen (wie minimale Effizienz oder erforderliche Verstärkung/Phasenrand) automatisch durchgesetzt werden. Diese Randbedingungen sind individuell erstellbar und können einzeln oder gemeinsam untersucht werden, um deren Einfluss auf das Umrichter-Design zu verstehen.

Ein wesentlicher technischer Vorteil für diese Art der Analyse ist die Unterstützung für diskrete und ganzzahlige Optimierung sowie für Machine Learning-Techniken. Dies ermöglicht die Auswahl realer, handelsüblicher Komponenten (wie die Wahl eines standardmäßigen 1000-Ohm-Widerstands anstelle eines unpraktischen 1004,2-Ohm-Widerstands) und stellt sicher, dass das endgültige Design sowohl optimal als auch herstellbar ist. Randbedingungen und Optimierungsziele, seien sie kontinuierlich oder diskret, können verwendet werden, um die Erkundung von Architekturen, Bauteilwerten, Regelungsschemata und mehr zu automatisieren. MATLAB unterstützt lokale, globale und KI-basierte Optimierung und bietet Werkzeuge zur Erstellung statistischer Versuchsplanung, um den Entwurfsraum systematisch abzudecken.

Umfassende Verhaltensmodelle, Beispielprojekte und Regelungsvorlagen beschleunigen die Entwicklung von explorativen Modellen, indem sie unnötige Details abstrahieren, um eine sinnvolle Analyse und einen Vergleich in den frühen Entwurfsphasen zu ermöglichen. Dieser Ansatz ermöglicht qualitativ hochwertige Entscheidungen, die alle Systemanforderungen berücksichtigen, und erhöht somit die Wahrscheinlichkeit eines erfolgreichen Entwurfs. Wichtig ist, dass dieselben Methoden auch auf ausgereiftere Entwürfe angewendet werden können, um Feinabstimmungen und weitere Optimierungen vorzunehmen.

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Mehrere Ebenen der Genauigkeit: Optimierung der Modellerstellung und -wartung

Die flexiblen Modellierungsmöglichkeiten von Simscape Electrical ermöglichen es Ingenieuren, spezifische Designkriterien zu erfüllen und dabei unnötige Details zu abstrahieren. Diese individuell erstellbare Flexibilität bedeutet, dass sowohl systemweite als auch detaillierte Entwurfsentscheidungen innerhalb desselben Workflows getroffen werden können. Zum Beispiel könnten Sie ein Stromverteilungssystem hinsichtlich Kosten und Effizienz analysieren, ohne die Regelungsschleifen auf niedriger Ebene zu modellieren, oder den Gate-Treiberwiderstand bewerten, um den Kompromiss zwischen Effizienz und elektromagnetischen Störungen (EMI) zu untersuchen. Die Simscape Electrical-Bibliotheken enthalten vorgefertigte Modelle mit unterschiedlichen Genauigkeitsstufen sowie zahlreiche Beispiele und Vorlagen, um Simulationen schnell und maßgeschneidert für Ihre Aufgabe zusammenzustellen.

Im Kern skaliert Simscape Electrical von detaillierten Transistormodellen mit thermisch abhängigen Parametern und komplexen Nichtlinearitäten bis hin zu Verhaltensmodellen auf höherer Ebene, die sogar die Regelungsschleife eines Wandlers abstrahieren können. Übliche Genauigkeitsstufen umfassen:

• Detaillierte nichtlineare Schalter (SPICE-ähnliche Modelle)
• Geschaltete lineare Geräte (unter Berücksichtigung von Schalteffekten und Verlusten, jedoch ohne Berücksichtigung der Einschaltdynamiken)
• Durchschnittliche Modelle (mit Schwerpunkt auf Systemdynamiken höherer Ordnung, einschließlich diskontinuierlicher Modi)

Dieser Ansatz gilt nicht nur für Transistoren, sondern auch für Batterien, Motoren, ICs und mehr. Die Fähigkeit, die geeignete Genauigkeit auszuwählen, ist entscheidend für die Entwicklung nützlicher Modelle mit den verfügbaren Daten und unterstützt ein iteratives Entwickeln, selbst wenn einige Details unbekannt sind. Es vereinfacht auch die Modellerstellung, -wartung und -simulation, indem es unnötige Komplexität abstrahiert.

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Thermische und mechanische Analyse: Bewertung von Verlusten und Kühlstrategien

Verpackung und Layout sind entscheidende Überlegungen bei der Entwicklung von Wandlern. Simscape Electrical bietet detaillierte Verlustberechnungen auf jeder Genauigkeitsebene. Für traditionelle Transistormodelle werden sowohl Schaltverluste als auch Leitungsverluste stets berechnet. Beim Einsatz von stückweise linearen Modellen für eine schnellere Simulation können Verluste mithilfe von vom Hersteller bereitgestellten Tabellen oder automatisch von Simscape aus detaillierten Schaltmodellen, einschließlich Soft-Switching-Szenarien, generiert werden. Durchschnitts- und Verhaltensmodelle können Effizienzdiagramme integrieren, um ein genaues thermisches Verhalten und eine hohe Schaltkreiseffizienz zu gewährleisten.

Während das Verständnis von Wärmeverlusten und Effizienz wesentlich ist, ist häufig eine ganzheitliche Systemperspektive erforderlich, um eine effektive Wärmeextraktion sicherzustellen. Simscape Electrical unterstützt traditionelle thermische Modellierungsansätze wie Cauer- und Foster-Netzwerke und ermöglicht die Simulation von leitender, konvektiver und strahlender Wärmeübertragung im thermischen Bereich. Diese Modelle können fortschrittliche Details wie Flüssigkeits- und Zweiphasenkühlung sowie Wärmetauscher umfassen, wodurch Entwickler Strategien zur Wärmeabfuhr bewerten können, während sie die zusätzlichen Leistungsanforderungen aktiver Kühlsysteme berücksichtigen.

Mechanische Komponenten, wie Motoren und Elektromagnete, können ebenfalls auf mehreren Genauigkeitsstufen modelliert werden. Diese reichen von einfachen Modellen mit konzentrierten Parametern bis hin zu detaillierten, nichtlinearen Modellen, die aus FEA-Werkzeugen importiert werden und Effekte wie räumliche Harmonische und Sättigung erfassen. Das thermische Verhalten kann bei Bedarf einbezogen werden, um eine umfassende Analyse sowohl der elektrischen als auch der mechanischen Aspekte zu unterstützen.

Integrierte, proaktive Fehlerinjektion

Simscape Electrical verfügt über integrierte Werkzeuge für die Fehler-Modellierung, -Injektion und -Analyse. Einzelne Komponenten enthalten vordefinierte Fehler, während spezielle Fehlerblöcke es den Benutzern ermöglichen, Unterbrechungen oder Kurzschlüsse an beliebiger Stelle im System einzufügen. Fehler können durch Simulationskriterien, Benutzereingaben oder bestimmte Simulationszeiten ausgelöst werden. Da die Simulationsumgebung diese Verhaltensweisen als Fehler erkennt, werden alle Fehlerszenarien über ein spezielles Fehlerfenster verwaltet, was eine systematische und gründliche virtuelle Fehlerbewertung ermöglicht. Diese Fähigkeit kann bei Bedarf erweitert werden, um virtuelle Fehlermöglichkeits- und Einflussanalysen (FMEA) zu unterstützen.

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Frequenzbasierte Analyse der elektrischen Leistung und Regelungsmerkmale

Simscape Electrical unterstützt frequenzbasierte Analysen neben der Simulation im Zeitbereich, die für die Untersuchung der Versorgungsqualität, des Eingangswiderstands, der Rauschunterdrückung und der Entwicklung von Regelschleifen unerlässlich sind. Beim Einsatz vorgefertigter Umrichterblöcke aus der Simscape Electrical Bibliothek stehen analytische Frequenzantworten und Übertragungsfunktionen unmittelbar zur Verfügung, da Durchschnittsmodelle im Hintergrund abgeleitet und integriert werden. Diese Fähigkeiten erstrecken sich auf alle kundenspezifisch modellierten Topologien, unabhängig von der Genauigkeit, mithilfe integrierter Werkzeuge zur Frequenzganganalyse. Dies eliminiert die Notwendigkeit manueller Kleinsignalanalysen oder die Ableitung von Durchschnittsmodellen.

Frequenzgangdaten können in Regelungs- und Optimierungsalgorithmen integriert oder mit Systemidentifikationswerkzeugen verwendet werden, um reduzierte Zeitbereichsmodelle zu erzeugen, ohne dass eine manuelle mathematische Analyse erforderlich ist.

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Zuliefererkomponenten: Integration von Modellen von Hitachi, Infineon, Wolfspeed und anderen Anbietern

Simscape Electrical unterstützt die zuliefererdefinierte Komponentenmodellierung durch mehrere Integrationsmethoden:

• Datenblattbasierte Modellierung: Parameter aus Zuliefererdatenblättern können strukturiert werden, um vordefinierte Komponentenblöcke zu konfigurieren, wenn vom Lieferanten bereitgestellte Simulationsmodelle nicht verfügbar sind und die Datenblattwerte für die Systemanalyse ausreichend sind.
• Parameterextraktion aus der Simulation: Hersteller-SPICE-Modelle können simuliert werden, um wichtige Parameter wie Schaltverluste, Kapazitätsprofile und thermische Eigenschaften zu extrahieren, die anschließend Lookup-Tabellen für Verhaltensmodelle füllen.
• SPICE-Netzlistenimport: Simscape Electrical kann detaillierte Geräteherstellermodelle mithilfe von SPICE-Netzlisten importieren, die Nichtlinearitäten und Parasitärwerte enthalten.

Simscape Electrical enthält Komponentendaten von Herstellern wie Hitachi, Infineon und Wolfspeed und bietet Werkzeuge zur Erstellung repräsentativer Modelle für jedes diskrete Bauteil, sofern entsprechende Herstellerdaten vorliegen. Dies gewährleistet eine konsistente, verifizierte Modellierung über elektrische, thermische und Regelungsbereiche hinweg.

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Regelschleifenentwicklung: Optimierung der Regelungsbandbreite von Anfang an

Simulink unterstützt klassische und fortschrittliche Regelungsansätze, einschließlich modellprädiktiver Regelung und Machine Learning. Es ermöglicht die gleichzeitige Regelungsentwicklung und Optimierung, wodurch Ingenieure konkurrierende Kriterien berücksichtigen und eine hochgradig optimierte Leistung erzielen können.

Simulink unterstützt die Schleifenentwicklung sowohl im S- als auch im Z-Bereich, mit standardmäßigen Visualisierungen wie Bode-, Nyquist- und Sprungantwortdiagrammen sowie Werkzeugen zur Pol-Nullstellen-Analyse und -Platzierung. Traditionelle Regelungskriterien können mit zusätzlichen quantitativen Leistungsmaßen kombiniert werden, wodurch beispielsweise ein Regler sowohl auf Stabilität und Bandbreite abgestimmt werden kann als auch eine Begrenzung des Stromüberschwingers beim Start ermöglicht wird.

Simulink bietet auch eine Reihe von Regelungsstrategien, von fehlerresistenten und Fuzzy-Logik-Reglern bis hin zu fortschrittlichen Motorantriebstechniken (zum Beispiel Phasenregelkreise, Clarke- und Park-Transformationen, feldorientierter Ansatz, direkte Drehmomentregelung und BLDC-Kommutierung). Für Versorgungs- und netzgekoppelte Systeme bietet Simulink Werkzeuge für das Maximum-Power-Point-Tracking, das Management von Wechselrichterressourcen, die Stabilität basierend auf Admittanz, die Netzbildung und mehr.

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Rückverfolgbarkeit der Anforderungen: ISO 26262- und IEC 61508-Compliance

Die Rückverfolgbarkeit von Anforderungen ist für strukturierte Hardware-Design-Workflows unerlässlich, insbesondere unter Normen wie ISO 26262 und IEC 61508, die ein Tracking von Anforderungen bis zur Implementierung vorschreiben. Das Fehlen einer Anforderung in einem frühen Stadium kann zu kostspieligen Nacharbeiten in späteren Phasen führen.

Simscape Electrical, integriert in die Simulink-Produktfamilie, unterstützt umfassendes Anforderungsmanagement und Verifikation. Ingenieure können Schaltungsmodelle direkt mit textuellen Anforderungen verknüpfen und formale, an Anforderungen orientierte Tests durchführen, um die Einhaltung und Validierung gegenüber definierten Spezifikationen zu unterstützen.

Diese einheitliche Umgebung ermöglicht die Rückverfolgbarkeit über Modellierung, Simulation und Test hinweg, indem Anforderungen mit Entwicklungsartefakten, Simulationsergebnissen und Testabdeckung verknüpft werden. Dieser Ansatz unterstützt Design-Reviews, Zertifizierungsprozesse und Auswirkungsanalysen von Änderungen und gewährleistet ein fehlerresistentes, normenkonformes Entwickeln vom Prinzip bis zur Implementierung.

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Co-Simulation und Modelleexport für HIL-Tests

Simscape Electrical fügt sich in bestehende Hardware-Entwicklungsworkflows ein, die häufig EDA- und Layout-Tools zur Erstellung der endgültigen Entwurfsdatei umfassen. Zur Unterstützung dieser Integration bietet MathWorks Co-Simulations- und Modell-Exportfunktionen an, die die Nutzung in vielen Entwicklungsumgebungen ermöglichen.

Simscape Electrical unterstützt die Co-Simulation mit Schaltungssimulationswerkzeugen wie PSpice^® und SIMetrix, wodurch Ingenieure die Stärken verschiedener Plattformen gleichzeitig nutzen können. Diese Fähigkeit erstreckt sich auf die Integration mit multiphysikalischen Engines und EDA-Tools für eine Modellierung mit höherer Genauigkeit, wie beispielsweise FEA-Analysen, wenn dies erforderlich ist.

Auf der Exportseite können Regelstreckenmodelle in C und HDL/Verilog-Code für Hardware-in-the-Loop (HIL)-Tests von Energiesystemen und Umrichtern exportiert werden. Diese Modelle können auch für die Verwendung in EDA-Werkzeugen exportiert werden, wobei eine Integration mit SystemVerilog erfolgt und Modelle, die in Simscape Electrical erstellt wurden, innerhalb von EDA-Umgebungen ausgeführt werden können.

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Fazit

Die Risikominderung bei der Entwicklung von Leistungswandlern und Motorantrieben in der Frühphase beruht auf Transparenz und dem Erkennen der Folgen von Entwicklungsentscheidungen, bevor diese kostspielig, unumkehrbar oder unsicher werden. Die in diesem Papier beschriebenen Workflows zeigen, wie eine modellbasierte Umgebung für die Multidomänen-Simulation Ingenieuren dabei hilft, mehr Ideen zu erforschen, Annahmen früher zu validieren und mit größerem Vertrauen zu fehlerresistenten Entwürfen zu gelangen. Mit MATLAB, Simulink und Simscape Electrical können sie herstellergenaue Komponenten verwenden, um Vergleichsstudien durchzuführen sowie thermische, Fehler- und mechanische Analysen, frequenzbasierte Bewertungen und die Entwicklung von Reglerschleifen.