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Leistungselektronik-Design Virtuelles Prototyping und Wireless-Spannungsmessung

| Autor / Redakteur: Jonas Mühlethaler, Andreas Müsing, Yanick Lobsiger, Dominik Bortis * / Gerd Kucera

Wie die moderne Entwicklung eines optimierten leistungselektronischen Systems aussieht, zeigt das Autorenteam in diesem Beitrag mittels neuer Simulations- und Messwerkzeuge.

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Bild 1: Realisierung und GeckoCIRCUITS-Simulationsmodell eines SWISS-Rectifiers
Bild 1: Realisierung und GeckoCIRCUITS-Simulationsmodell eines SWISS-Rectifiers
(Bild: Gecko-Simulations/Enertronics)

Die Forschung am Power Electronic Systems Laboratory (PES) der ETH Zürich befasst sich mit der ganzheitlichen Analyse, Modellierung, Optimierung und Realisierung leistungselektronischer Systeme. In den letzten Jahren wurden im Rahmen der Forschungen zahlreiche neue Schaltungstopologien, Modulations- und Regelverfahren, Optimierungs- und Modellierungsansätze sowie Messmethoden erarbeitet.

Um diese Ergebnisse einer breiten Öffentlichkeit zugänglich zu machen bzw. den Wissens- und Technologietransfer in die Gesellschaft und Wirtschaft zu fördern, wurden durch PES/ETH mehrere Spin-off-Firmen gegründet, unter anderem die Enertronics GmbH und die Gecko-Simulations AG. Ziel der Gecko-Simulations AG ist die Umsetzung wissenschaftlicher Erkenntnisse und Methoden in einfach zu bedienende Softwarewerkzeuge, die dem Anwender ein schnelles und detailliertes Design von leistungselektronischen Systemen ermöglichen. Die Enertronics GmbH bietet Beratungsdienstleistungen und Lösungen im Bereich Hardwareumsetzung und fortschrittlicher Messtechnik an.

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Im Folgenden wird am Beispiel der Gecko-Simulations AG gezeigt, wie die Simulation und Modellierung von leistungselektronischen Systemen zeitgemäss durchgeführt werden kann. Danach wird ein neuer drahtloser Tastkopf (Wireless Voltage Probe) der Enertronics GmbH vorgestellt, welcher ein hochgenaues potenzialfreies Messen auch kleiner Spannungen auf hohen, steilflankige Änderungen aufweisenden Referenzpotentialen ermöglicht.

Die Simulation in der Leistungselektronik

Schon vor der Realisierung eines ersten Prototyps werden üblicherweise CAD-Zeichnungen erstellt sowie die prinzipielle Funktionsweise einer Schaltung im Simulator getestet und weiter entwickelt. Dies wird als Virtual Prototyping bezeichnet. Der Entwurf eines optimierten Designs benötigt dabei eine ganzheitliche Systembetrachtung, da die Optimierung einzelner Komponenten nicht ausreichend ist bzw. nicht auf ein Gesamtoptimum führt. Um beispielsweise für ein leistungselektronisches System eine optimale Effizienz zu erreichen, sind die Schaltungstopologie, Leistungshalbleiter, EMV-Filter, Induktivitäten, Kühlsystem und Regelung und als Systemkomponenten deren Kopplungen untereinander zu betrachten.

Als Basis wurde hierfür am PES der Systemsimulator GeckoCIRCUITS entwickelt, der als Open-Source-Programm kostenlos zugänglich ist (www.gecko-simulations.com) und von der Gecko-Simulations AG weiterentwickelt wird. In der Praxis hat sich gezeigt, dass herkömmliche, auf SPICE basierte Schaltungssimulatoren, für eine Anwendung in der Leistungselektronik weniger geeignet sind: SPICE ist für transiente Schaltvorgänge zu detailliert und zu rechenintensiv, oder es setzt umfangreiches Expertenwissen voraus, um schnell und zuverlässig die gewünschten Ergebnisse zu generieren.

Neben der eigentlichen Schaltungssimulation ermöglicht GeckoCIRCUITS eine schnelle und gekoppelte Simulation von Regelsystemen und thermischen Modellen. Bild 1 zeigt das Simulationsmodell eines SWISS-Rectifier zusammen mit dem entsprechenden Hardware-Prototypen.

Der Open-Source-Ansatz von GeckoCIRCUITS ermöglicht zudem die modulare Erweiterung mit Werkzeugen, die vom Entwickler während des Design-Prozesses benötigt werden. Als Beispiel seien hier Softwarepakete zur Optimierung von Kühlkörpern, EMV-Filtern oder magnetischen Komponenten genannt. Letztere können über das Simulationswerkzeug GeckoMAGNETICS entworfen und beispielsweise auf optimale Effizienz hin ausgelegt werden, wie es im folgenden Abschnitt beschrieben wird.

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