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

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.
• Wenden Sie klassische Reglerentwurfstechniken wie interaktives Loop-Shaping mit Bode-Diagrammen und Wurzelortskurven auf nichtlineare Systemmodelle an, die Schalteffekte umfassen, indem Sie zur Bestimmung des Regelstreckenverhaltens Methoden wie Frequenzgangsmessungen und die Systemidentifikation nutzen.
• 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.