Was ist Simulation von Leistungselektronik?
Für die Energieumwandlung müssen IGBTs, Leistungs-MOSFETs und andere Halbleiter-Leistungselektronik angesteuert werden. Die Nutzung der Simulation beim Entwurf eines digitalen Controllers kann dazu beitragen, Stabilität zu erzielen, die Stromqualität zu verbessern, die dynamische Leistung zu optimieren und Fehlerzustände zu behandeln. Simulationen von Leistungselektronik gibt bereits in frühen Entwicklungsphasen, bevor die Hardwaretests beginnen, Einblick in das Zusammenspiel von digitalen Regleralgorithmen, Leistungshalbleitern und dem Gleichgewicht des elektrischen Systems. Für Batteriemanagementsysteme und andere auf Leistungselektronik basierende Systeme wie Motorantriebe, Stromrichter und Wechselrichter ermöglicht die schnelle geschlossene Simulation den Entwicklungsingenieuren, ihre Entwurfsentscheidungen zu bewerten und zu verifizieren, bevor ein Controller implementiert wird.
Eine Simulation der Leistungselektronik kann für die folgenden Aufgaben hilfreich sein:
- Entwurf und Validierung neuer Topologien und Regelungs- und Steuerungsstrategien
- Optimierung des Systemverhaltens mithilfe von Modellbibliotheken von Energiequellen, Leistungshalbleitern, passiven Schaltkreiselementen und Maschinen wie PMSMs und Induktionsmotoren
- Analyse der Systemantwort auf Fehler und abnorme Bedingungen
- Eliminierung von durch Simulation gefundenen Designproblemen noch vor der Implementierung
- Modelle wiederverwenden und so Design-Iterationen und Projekte der Folgegeneration beschleunigen
Simulink-Modell der digitalen Regelung eines Aufwärtswandlers.
Mit der Leistungselektronik-Simulation in Simulink® können Sie komplexe Topologien mit mehreren Schaltelementen mithilfe von Standard-Schaltungskomponenten modellieren. Sie können schnelle Simulationen mit Durchschnittsmodellen oder Modellen mit idealem Schaltverhalten durchführen oder detaillierte nichtlineare Schaltungsmodelle für die Untersuchung parasitärer Effekte und den detaillierten Entwurf verwenden. Im Gegensatz zu universellen Schaltungssimulatoren wie SPICE bietet die Leistungselektronik-Simulation mit Simulink die folgenden Möglichkeiten für das Steuerungs- und Reglerdesign, optimierungsbasierte Studien und die automatische Codegenerierung aus Simulationsmodellen:
- Entwerfen, simulieren und vergleichen Sie Reglerarchitekturen.
- Berechnen Sie periodische stationäre Arbeitspunkte, um Anlaufübergänge zu eliminieren, die Simulation zu beschleunigen und genaue Betriebsbedingungen für die Frequenzgangschätzung bereitzustellen.
- Verwenden Sie Systemidentifikationsverfahren, um ein parametrisches Modell anzupassen, und wenden Sie klassische Reglerentwurfstechniken wie Bode- und Wurzelortskurvenanalyse an.
- Stimmen Sie Reglerverstärkungen mithilfe automatisierter Optimierungstools in einer oder mehreren Rückkoppelschleifen ab. Entwerfen Sie nichtlineare Regelungen mit Techniken wie der Sliding-Mode-Regelung oder dem Gain-Scheduling.
- Entwerfen Sie Fehlerschutzschaltungen und -logiken, und testen Sie diese gründlich.
- Verwenden Sie Optimierungs- und Analysetools, um Systemparameter zu optimieren und Sensitivitätsanalysen durchzuführen.
- Beschleunigen Sie Studien, die mehrere Simulationen erfordern, indem Sie sie parallel auf Mehrkernprozessoren und Computerclustern ausführen.
- Generieren Sie C- oder HDL-Code aus Regleralgorithmen für das Rapid Prototyping mit einem Echtzeit-Zielcomputer oder für die Implementierung auf einem Microcontroller oder FPGA.
- Generieren Sie C- oder HDL-Code aus Schaltungs- und Maschinenmodellen für eine Echtzeit-Plattform mit Mehrkern-CPUs und FPGAs zur Validierung des Reglers mittels Hardware-in-the-Loop.
- Wenden Sie formale Validierungsfunktionen an, um Embedded-Software zu entwickeln, die gesetzliche Vorschriften und Standards, wie z. B. UL 1741, erfüllt, für Anwendungen wie den Schutz vor Inselbildung für die Solarstromerzeugung.
Beispiele und Anleitungen
Berichte von Anwendern
Artikel
Software-Referenz
Power Electronics Simulation FAQs
Power electronics simulation models the interaction of digital control algorithms, power semiconductors, and electrical systems to help design controllers for systems like motor drives, power converters, and inverters before hardware testing begins.
You can design and validate new topologies and control strategies, optimize system behavior, analyze fault responses, eliminate design problems early, and reuse models to speed up design iterations and next-generation projects.
Unlike SPICE, Simulink provides capabilities for control design, optimization-based studies, and automatic code generation, allowing you to design controllers, autotune gains, and generate C or HDL code for implementation.
You can run fast simulations with average models or ideal switching behavior or use detailed nonlinear switching models that include device parasitics and are suited for detailed design of complex converter topologies with multiple switching devices.
Yes, you can generate C or HDL code from control algorithms for rapid prototyping or implementation on microcontrollers and FPGAs, and from circuit models for hardware-in-the-loop validation.
You can design and compare controller architectures, apply classical control techniques like loop shaping with Bode plots, autotune controller gains, design nonlinear controllers, and validate controller behavior under fault conditions.
You can use optimization and analysis tools to tune system parameters, conduct sensitivity and trade-off studies, and accelerate design exploration by running multiple simulations in parallel on multicore processors and computing clusters.
You can model energy sources, power semiconductors like IGBTs and MOSFETs, passive circuit elements, and machines such as PMSM and induction motors using standard circuit components and model libraries.
Siehe auch: Physikalische Modellierung, MPPT-Algorithmus, Simscape Electrical, PID-Regelung, Entwurf von Leistungselektroniksteuerungen mit Simulink, BLDC-Motorsteuerung, Batteriemanagementsysteme (BMS), Blindleistungskompensation, Batterieladezustand, Dual Active Bridge
