GeckoCIRCUITS - Power Electronics Systems Laboratory

GeckoCIRCUITS
Beginner’s Tutorial

Einleitung
Ab 1990 entwickelte sich die Schaltungssimulation
von leistungselektronischen
Systemen zunehmend zu einer
Standardprozedur sowohl im akademischen
Bereich als auch in der Industrie. Parallel dazu
begann man isoliert beispielsweise thermische
Probleme in der Leistungselektronik mit
spezieller Simulationssoftware zu analysieren
(3D-FEM). Umfangreich simuliert wurden auch
elektromagnetische Felder in Motoren und
Generatoren (2D- und 3D-FEM).
Eine Entwicklung, die sich seit etwa dem Jahr
2000 immer deutlicher abzeichnet, ist die
Notwendigkeit gekoppelte Simulationen
durchzuführen, also zum Beispiel das
Zusammenwirken von temperaturabhängigen
Verlusten in Leistungshalbleitern und dem
Kühlsystem eines Konverters. Zunehmendes
Interesse gibt es an der Simulation elektromagnetischer
Effekte auf dem PCB des
Leistungskreises, konkret der Berücksichtigung
von parasitären Induktivitäten und Kapazitäten
des PCBs und deren Auswirkungen auf
Schaltüberspannungen und EMV-
Filterauslegung. Ein weiterer Aspekt, der
grosses Interesse speziell seitens der Industrie
hervorruft, ist die Simulation von Lastprofilen
und der resultierenden Lebensdauerminderung
von Halbleitermodulen und Konvertern.
GeckoCIRCUITS ist ein numerischer Simulator
zur Lösung der oben beschriebenen
gekoppelten Multi-Domain Probleme beim
Design von leistungselektronischen Systemen.
Im vorliegenden Tutorial wird der in
GeckoCIRCUITS integrierte Schaltungssimulator
anhand des Beispiels eines einfach
gesteuerten Hoch-Tiefsetzstellers schrittweise
vorgestellt.
Zielgruppe
Dieses Tutorial wendet sich an Anwender, die
wenig oder keine Erfahrung mit
Leistungselektroniksimulatoren oder generell
Schaltungssimulatoren haben. Die Software
GeckoCIRCUITS wird detailliert erklärt, wobei
z.B. thermische Probleme, die eine besondere
Stärke von GeckoCIRCUITS darstellen, hier
nicht behandelt werden. Das Beispiel ist
bewusst sehr einfach gehalten.
Hoch-Tiefsetzsteller mit einfacher Steuerung.
2

Leistungskreis Blau
Regelung Grün
Thermisch Rot
Der Schaltungssimulator
unmittelbar nach dem Öffnen. Mit
den Tabs rechts können einzelne
Komponenten ausgewählt werden.
Der Leistungskreis ist in blauer
Farbe dargestellt, die Regelung in
grün und thermische Elemente
(gesperrt in der Studentenversion)
in rot.
Bearbeitungsmodus
Grau
Mit der Maus auf das Feld Voltage
Source U [V] im blauen Tab
klicken (1x links), dann die Maus in
die Arbeitsfläche hinein bewegen.
Die gewählte Spannungsquelle
bewegt sich mit der Maus und ist
im Bearbeitungsmodus (graue
Farbe). Mit einem Mausklick (1x
links) kann die Quelle abgesetzt
werden. Der Bearbeitungsmodus
wird verlassen und die Quellen-
Farbe ändert zu blau.
Doppelklicken (2x links) mit dem
Mauszeiger auf das Symbol der
Quelle öffnet ein Dialogfeld zur
Parameterdefinition. Quellen sind
default-mässig auf Sinusquellen-
Modus gesetzt. Durch Klicken des
DC-Tabs wird die Quelle zu einer
Konstantspannungsquelle. Der
Wert wird auf 20V gesetzt.
3

Idealer Schalter:
• Bidirektional
• U_on = 0 V
• r_on = 10m Ω
• r_off = 10Meg Ω
Klicken (1x links) in das blaue Tab-
Feld Ideal Switch S gibt einen
idealen Schalter, also
bidirektionales Verhalten mit ON-
Spannungsabfall (default: 0V),
ON-Widerstand (default: 10mΩ)
und OFF-Widerstand (default:
10MegΩ). Die Einstellungen
können im Dialogfeld des
Schalters (doppelklicken links
nach Absetzen des Symbols des
Schalters) im Tab Characteristic
geändert werden.
Rotiere Leistungskreis-
Element im
Bearbeitungsmodus
(grau) mit Mausklick
rechts
Wenn sich die Leistungskreis-
Elemente im Bearbeitungsmodus
befinden (graue Farbe), können
sie mit Mausklick rechts jeweils um
90° rotiert werden.
Der Schalter (default-Name: S.1)
wird mit Mausklick links abgesetzt
und verlässt den Bearbeitungsmodus.
4

Blauer Tab & Mausklick
rechts blauer Stift zum
Zeichnen von
Verbindungen
Blaue Verbindungen
können nur blaue
Elemente verbinden,
grüne Verbindungen nur
grüne Blöcke
Bei blauem Tab aktiv, keinem
Element im Bearbeitungsmodus,
und Mausklick 1x rechts, erscheint
ein blauer Stift, mit dem
Verbindungen gezogen werden.
An Anfang und Ende der
Verbindung ist ein Knoten, an dem
Bauelement-Ein- und -Ausgänge
und andere Verbindungen
angeknüpft werden können. Blaue
Verbindungslinien können nur
blaue Leistungskreiselemente
verbinden. Erneuter Mausklick 1x
rechts deaktiviert den Stift.
Klicken (1x links) in das blaue Tab-
Feld Diode D gibt eine Diode mit
ON-Spannungsabfall (default:
0.6V), ON-Widerstand (default:
10mΩ) und OFF-Widerstand
(default: 10MegΩ). Die Einstellungen
können im Dioden-
Dialogfeld im Tab Characteristic
geändert werden.
Inductor L gibt höhere
Simulationsgeschwindigkeit,
aber im Falle
magnetischer Kopplung
muss man Inductor
Coupling Lc einsetzen
Analog wird eine Induktivität
Inductor L [H] ausgewählt. Falls
Induktivitäten gekoppelt werden
sollen (z.B. für Trafos), dann muss
Inductor Coupling Lc [H]
verwendet werden, wobei die
magnetische Kopplung mit
Magnetic Coupling k realisiert wird.
Grundsätzlich sind Inductor L [H]
und Inductor Coupling Lc [H]
5
äquivalent, die numerische
Simulation kann aber durch die
Verwendung von Inductor L [H]
beschleunigt werden.

Die Induktivität wird um 90°
gedreht (Mausklick 1x rechts im
Bearbeitungsmodus ‚grau’) und
dann abgesetzt (Mausklick 1x
links, Bearbeitungsmodus wird
anschliessend verlassen).
Menu View >>
Flow_Direction:
Anzeige der Flussrichtung
in Elementen
Strommessung
Anfangsbed. in L und C
Mit dem Menu-Unterpunkt View >>
Flow_Direction kann die Flussrichtung
in den Bauelementen
angezeigt werden. Das ist speziell
vorteilhaft bei der Messung von
Strömen für die Regelung, für die
Anzeige von Strömen im Scope,
und für die Anzeige von initialen
Kondensatorladungen
initialen Induktivitätsströmen.
bzw.
180°-Rotation:
• Mausklick 1x links
Bearbeitungsmodus
(grau)
• Mausklick 1x rechts
Rotation 90°
• Mausklick 1x rechts
Rotation 90°
• Mausklick 1x links
Element abgesetzt (blau)
Anklicken (1x links) der Induktivität
zum Wechsel in den
Bearbeitungsmodus (grau), dann
zweimal Mausklick rechts zur 180°
Rotation des Symbols und
anschliessend Absetzen der
gedrehten Induktivität (Mausklick
1x links).
6

Die angezeigte Flussrichtung gibt
an, in welche Richtung ein
gemessener Strom positiv gezählt
wird.
Weiters werden eine Kapazität und
ein Lastwiderstand platziert.
Mausklick 1x rechts gibt den Stift,
mit dem Verbindungen gezeichnet
werden können.
7

Verbindungen im
Bearbeitungsmodus:
• Löschen
• Kopieren
Verbindungen können genauso
wie Elemente durch Anklicken (1x
links) in den Bearbeitungsmodus
(grau) versetzt werden.
Verbindungen können nicht rotiert
werden, aber gelöscht bzw. kopiert
werden (siehe Menu Edit).
Verbindungen & Element-
Ein- und Ausgänge
Doppelklicken der Knoten
zur Definition der Knoten-
Labels
Wenn Verbindungen (bzw. Einund
Ausgänge von Elementen)
doppelgeklickt werden, öffnet man
ein Dialogfenster mit dem einem
angeklickten Knoten eine
Bezeichnung zugewiesen werden
kann. Entsprechende Knoten-
Labels benötigt man z.B. zur
Definition der Spannungsmessung
(siehe später).
8

Vereinfachte
Werte-Eingabe:
statt 10e-6 bzw. 0.000001
kurz: 10u
Durch Doppelklicken auf R und C
werden die Werte geändert.
Anstatt 10e-6 oder 0.00001 kann
auch 10u eingegeben werden
(weiters zulässig: p, n, u, m, k).
Dem Kondensator C kann optional
eine Initialspannung zugewiesen
werden. Das ist z.B. vorteilhaft bei
der Simulation von Hochsetzstellern,
wo man nicht die Details
der Ausgangsspannungs-
Vorladung simulieren will.
Für den Signalteil bzw. die
Regelung wird der grüne Tab
Source/Sink geklickt. Durch
Klicken (1x links) auf Signal
Source, Mausbewegen in die
Arbeitsfläche hinein, und Absetzen
(Mausklick 1x links) wird eine
Signalquelle verfügbar. Durch
Doppelklicken öffnet sich der
Signaldialog, und durch Klicken
auf das Tab REC wird ein
periodisches Rechteck-Signal
definiert.
Ansteuerung von blauen
Leistungskreisschaltern
nur mit grünem Gate-
Block
Mittels Gate_Control im Tab
Source/Sink wird ein Block
verfügbar, der die Schalter des
Leistungskreises ansteuern kann.
Das ist die einzige Möglichkeit,
9
Leistungsschalter aktiv zu
schalten. Weil der grüne Tab aktiv
ist, bekommt man durch Mausklick
1x rechts einen grünen Stift, mit
dem ausnahmslos ‚grüne’ Signalelement-Verbindungen
gezogen
werden können. Ein weiterer
Mausklick rechts deaktiviert den
Stift.

Doppelklicken des Gate_Blocks
öffnet einen Dialog, der es
ermöglicht, aus allen im
Leistungskreis vorhandenen
Schaltern einen bestimmten
auszuwählen.
Nach erfolgter Auswahl wechselt
die rote Anzeige not defined des
Gate Blocks auf den Namen des
aktiv
angesteuerten
Leistungskreis-Elements >>_S.1.
Gleichzeitig wechselt die rote
Anzeige no gate-signal des
Leistungsschalter-Symbols auf
den Namen des ansteuernden
Blocks GATE.1 >>.
Messung von Strömen
und Spannungen im
blauen Leistungskreis nur
mit grünen Messblöcken
AMP und VOLT
Zur Messung der Ströme und
Spannungen bedarf es der Signal-
Blöcke Measure Voltage und
Measure Current im grünen Tab
Measure. Wenn der Spannungsmess-Block
doppelgeklickt wird,
erlaubt der Dialog die Auswahl
zweier vorher beschrifteter
Leistungskreisknoten. Wenn keine
Knoten-Labels beschriftet wurden,
gibt es auch keine
Auswahlmöglichkeit, und es
können keine Spannungen
gemessen werden.
10

Doppelklicken des Strommess-
Blocks öffnet den Dialog zur
Strommessung. Hier werden alle
Leistungskreis-Elemente
aufgelistet.
SCOPE zur Visualisierung
von simulierten Kurven
Der Signalblock SCOPE im grünen
Tab Measure dient zur
Visualisierung der simulierten
Kurven.
Knoten-Label am SCOPE-
Eingang werden als
Kurvennamen in der
Graphen-Darstellung
verwendet
Die Zahl der SCOPE-Eingänge
kann durch Klicken der roten
Dreieck-Symbole (oben und unten
beim SCOPE-Symbol) erhöht oder
verringert werden. Wenn die
SCOPE-Eingangsknoten
beschriftet werden, dann
erscheinen diese Namen
automatisch bei der Anzeige der
Kurven, was im Sinne der
Übersichtlichkeit sehr zu
empfehlen ist.
11

Knoten (z.B. grüner Knotenlabel
gate in obiger Abb.) sind generell
auch dann verbunden, wenn
Knoten identisch benannt sind.
Anstatt eine grüne Verbindung
vom Signalblock-Ausgang bzw.
Gateblock-Eingang zum untersten
SCOPE-Eingang zu ziehen, kann
man den untersten SCOPE-
Eingangsknoten ebenfalls mit gate
beschriften. Das erhöht u.U. die
Übersichtlichkeit. Wenn man mit
der Maus in die Arbeitsfläche klickt
(1x links), und die Maus zieht
Knoten alternativ
verbinden:
Knoten-Label mit
identischem Namen
setzen
(links gedrückt halten), entsteht ein
gelbes Rechteck, dessen Inhalt in
den Bearbeitungsmodus (grau)
wechselt, sobald man die Maus
loslässt.
Gelbes
Markierungsrechteck
Element-Gruppen in den
Bearbeitungsmodus
versetzen
So kann eine grosse Gruppe
Elemente gleichzeitig bearbeitet
werden, z.B. verschoben mittels
dem Menu Edit_>>_Move_Elements.
So kann auf einfache Weise
gelöscht und kopiert werden.
Doppelklicken auf den SCOPE-
Block öffnet das Scope in einem
eigenen Fenster. Alle an den
SCOPE-Eingängen anliegenden
Signale werden dargestellt und
können gegebenenfalls nachbearbeitet
werden.
12

Scope-Fenster Menu
Graphs >> Signal-Graph
öffnet ConnectionMatrix-
Dialog
Über das Scope-Menu Graphs >>
Signal-Graph öffnet man das
Dialogfenster ConnectionMatrix, in
dem die Zahl der dargestellten
Graphen verändert werden kann
(Knöpfe Add Graph und Delete
Graph), und in dem alle SCOPE-
Eingangssignale optional den
Graphen zugewiesen werden
können.
Einfaches Aktivieren bzw.
Deaktivieren der
Matrixeinträge durch
Mausklicken 1x rechts
Zweimaliges Klicken des Knopfes
Add Graph schafft zwei weitere
Graphen in diesem Scope-
Fenster. In der Matrix gibt es drei
Graphen vs. Zeitverlauf (Eintrag
‚X’) plus 5 Signale (uIN, uOUT, iL,
iS, gate: jeweils Eintrag ‚Y’). Durch
Mausklicken (1x rechts) können
die Einträge in der Matrix rasch
verändert werden. (aktiv ‚Y’,
inaktiv ‚-’).
Der oberste Graph enthält zwei
Spannungskurven uIN und uOUT,
der mittlere Graph zwei
Stromkurven iL und iS. Der untere
Graph wurde auf Digital gesetzt
(siehe entsprechende Checkbox).
Das bedeutet, dass wenn die
Kurve gate grösser als 0.5 ist,
dann wird hier ‚+1’ angezeigt,
ansonsten ‚0’. Das ist sehr
nützlich, wenn man mehrere
Digitalsignale untereinander
anzeigen will und entspricht einer
populären Option moderner
Messgeräte.
13

Matrix-Eintrag ‚Y’:
1x Mausklicken links
Dialog zur Darstellung
einer Einzelkurve
Wenn ein ‚Y’-Eintrag in der Matrix
angeklickt (1x links) wird, dann
öffnet sich der Dialog zum
Kurveneditieren, mit dem Farbe
und Punktanzeige der
entsprechenden Kurve manipuliert
werden können. Optional können
durch Klicken auf die Graphen-
Knöpfe (z.B. GRF 1) die x- und y-
Achsen der angezeigten Graphen
verändert werden.
Nach Abschluss der Einstellungen
werden die drei Graphen (der
unterste ist auf Digital gesetzt)
plus die zugehörigen Kurvennamen
in den entsprechend vom
Anwender definierten Farben
angezeigt.
Menu Simulation >>
Parameter öffnet Dialog
für numerische
Schrittweite und
Simulationsdauer
Im Dialog Simulation Parameters,
geöffnet mittels Menu Simulation
>>_Parameter, kann man die
konstante numerische Schrittweite
(dt = 1e-6) und die
Simulationsdauer (t_SIM = 3e-3)
setzen. Optional kann die
Simulation angehalten werden,
wenn t_PAUSE ungleich ‚-1’
gesetzt wird, z.B. t_PAUSE =
0.001 würde die Simulation nach
dem ersten Drittel stoppen. Der
Anwender könnte nun Parameter
ändern und die Simulation mittels
Menu Simulation_>>_Continue
weiterlaufen lassen.
14

Zur Wahl der numerischen
Schrittweite dt im Dialog
Simulation >> Parameter empfiehlt
es sich einen Wert deutlich unter
der kleinsten Systemzeitkonstante
zu wählen. Im Falle des hier
vorliegenden DC-DC-Konverters
ist das typisch die Schaltfrequenz
mit Ts = 1/fs = 1/25kHz = 40us.
Die maximale Schrittweite dt sollte
daher etwa bei 40us/100 = 400ns
liegen. Bei numerischen
Stabilitätsproblemen empfiehlt es
sich, eine Reduktion der
Schrittweite zu testen. Die
Simulation selbst wird mit dem
Menu-Unterpunkt Simulation >>
Init & Start gestartet.
Zoom-Knopf im Scope-
Fenster
Durch Klicken des Zoom-Symbols
(drittes von oben in der linken
Leiste des Scope-Fensters) kann
man mit der Maus einen Zoom-
Bereich markieren (rotes
Rechteck).
Zeitschieber im Scope-
Fenster
Die gezoomten Kurven werden
autoskaliert. Durch Klicken des
Schieber-Symbols (viertes von
oben in der linken Leiste des
Scope-Fensters) kann man einen
Zeitschieber aktivieren, der eine
detaillierte Werteanzeige erlaubt.
15

Scope-Menu Data >>
Activate Data Saving vor
Simulationsstart
aktivieren
Simulationsergebnisse
optional als ASCII-Datei
Über das Scope-Fenster-Menu
Analysis >> Calc. AVG, RMS
können Mittel- und Effektivwerte
der Kurven berechnet werden. Die
Simulation kann mittels Simulation
>>_Continue fortgesetzt werden.
Bei angehaltener Simulation
können Parameterwerte geändert
werden. Damit kann z.B. ein
Lastsprung simuliert werden, wenn
man für den Lastwiderstand bei
angehaltener Simulation einen
neuen Wert setzt. Simulationsdaten
können als ASCII-Datei
gespeichert werden (Menu Data
>> Write Data to File), wenn vor
Simulationsbeginn Data_>>
Activate Data Saving im Scope-
Fenster-Menu aktiv gesetzt wurde.
Information / Rückmeldungen
Author:
Uwe Drofenik
Date: Sept. 9, 2008
Contact:
Uwe Drofenik
Power Electronic Systems Laboratory
ETH Zentrum, ETL H13
CH-8092 Zurich, Switzerland
Phone +41-44-632 4267
Fax +41-44-632 1212
Email drofenik@lem.ee.ethz.ch
16