Infoplaner 1-2007 - Cadfem

CADFEM INFOPLANER 1/2007DSCR1L1100uH R=10mL2100uH R=10mL3100uH R=10mD10SCOPE360C1 1uF DSCR2RC1100C4 0.1uFGATEDRIVER1AG1 G2 G3D2C2 1uFRC2100C5 0.1uFDSCR3D3SCOPE2L_DCL10.18mHC3 1uFRC3RDC_R3 51k100C6 0.1uFRDC_R1 51kR2510R3 82m R1 82m R5 82m R6 82m R15 82mR13 82m R17 82m R18 82m R19 82m R20 82mR9 51k R10 51kGATE1C7 1500uF C9 1500uF C11 1500uF C12 1500uF C17 1500uFC15 1500uF C19 1500uF C20 1500uF C21 1500uF C22 1500uFGATE4R4 82m R2 82m R7 82m R8 82m R16 82mR14 82m R21 82m R22 82m R23 82m R24 82mR11 51k R12 51kC8 1500uF C10 1500uF C13 1500uF C14 1500uF C18 1500uFC16 1500uF C23 1500uF C24 1500uF C25 1500uF C26 1500uFBild 3: Für die Verknüpfung der thermischen und elektrischen Modelle werden die thermische Bauelemente wiez.B. Kühlbleche (Heatsinks) mit ihren Eigenschaften durch die Integration von ANSYS in die Modellierung einbezogen,aus: van Duijsen, Bauer, Fast Loss Predicting Prototyping Tools for Power Electronics, Proceedings PCIM 2006,Nürnberg, Germanyein wesentlicher Bestandteil der Optimierung des gesamtenSystems. Bei Schaltnetzteilen mit MOSFETs und lGBTs hat dieTemperatur der Sperrschicht einen direkten Einfluss auf dasdynamische Verhalten und die Verluste der Halbleiter. Wegendieser Verluste steigt die Temperatur, was wiederum die Verlusteerhöht. Wegen dieser Abhängigkeit kann die Sperrschicht-Temperaturnur in einer Simulation bestimmt werden(Bild 3). Das thermische Kompaktmodell wird in ANSYS mittelseines speziellen Verfahrens von der 3D-Geometrie abgeleitetund in CASPOC mit dem Halbleitermodell verknüpft. Damitlassen sich die Verluste im Abhängigkeit der Sperrschicht-Temperaturbestimmen.Ein Werkzeug für die Softwareentwicklungeingebetteter Systeme (embedded control)Bei eingebetteten Systemen werden analoge Regelungen fürLeistungselektronik und elektrische Antriebe durch Softwareersetzt. Die Entwicklung findet meistens mit einem Software-Entwicklungsprogramm statt.CON50CON1CON200FMODULATIONINDEXNFMING1G2PWM31G3 G4G5G6GATE1GATE2GATE3GATE4GATE5GATE6C27 1uFPIGBT1+V1 25C28 1uFSCOPE5RTH_CH0.8CTH_CASE 8 CTH_HEATSINK 100C29 1uFGATE5GATE2C31 1uFRTH_JC1 0.5 RTH_JC2 0.5 RTH_JC3 0.5SCOPE4GATE3GATE6RTH_AMBIENT 6CURRENTC30 1uFRSENSE120mRSENSE220mRSENSE320mC32 1uFSCOPE1INDUCTIVEL41mH R=0.1L51mH R=0.1L61mH R=0.1Die Simulation und ihreModelle werden nichtnur während der Entwicklungsphaseverwendet,sondern auch bei derErstellung des „EmbeddedControl“-Quellcodes.Der Signalflussplan kannals „Embedded Control“-Quellcode von CASPOCexportiert und dann imMikroprozessor oder imDSP eingesetzt werden.Dieser Quellcode lässt sich zusätzlich wieder als Modell währendder Simulation verwenden. Der Regler kann in der Simulationeines gesamten Antriebes (Bild 4) überprüft werden, so dassder Weg vom Reglerentwurf zur Implementierung sehr kurz ist,zumal die Programmierung schnell und akurat vom Programmselbst übernommen wird.CASPOC ermöglicht die Simulation auf Systemebene, wobeieinzelne Komponentenmodelle aus einem FE-Modell inANSYS erzeugt werden. Durch Co-Simulation werden dieFE-Modelle direkt mit der Simulation auf Systemebene verknüpft.Durch Anwendung von reduzierten Modellen kanndie gesamte Rechenzeit verkürzt werden. Die kurze Rechenzeiterlaubt die Optimierung der Reglerparameter.CASPOC– Werkzeugfür die Leistungselektronikund Antriebstechnik• Schnelle Simulation ohne Konvergenzprobleme.• Einfache Bedienung der Software ohne lange Einarbeitungszeiten.• Schnittstellen zu ANSYS und Matlab/SIMULINK• Besonders schnelle Modelle für Halbleiterschalter wieDioden, MOSFETs und IGBTs, mit Berücksichtigung derennicht-linearen Effecten und parasitären Komponenten.• Spezielle Blöcke für die Leistungselektronik und elektrischeAntriebstechnik, z.B. elektrische Maschinen, Umrichterund Regler oder die Ankopplung mechanischer Lasten.• Erstellung von Regelalgorithmen mit C/C++ und exportierenvon „Embedded Control“ Quellcode inklusive Festkomma-Gleichungen.• Grafische Editoren für die Erstellung von Schaltplänen,Signalflussplänen und die Darstellung von Funktionsblöcken.• Darstellung der Ergebnisse noch während der Simulationmit Animation der Strompfade im Schaltkreis.Bild 4: Systemsimulation einer Permanentmagnet-Synchronmaschinenantriebmit Flußorientierter Regler. Das PMSM-Modell würde in ANSYSmit der Co-Energy methode erzeugt, aus: van Duijsen, IntegrierteSimulation von Elektromechanik, Leistungselektronik und Regelung,CADFEM Users‘ Meeting 2006.AutorDr. Peter van Duijsen, Simulation ResearchIhr AnsprechpartnerUdo Killat, CADFEM GmbH GrafingTel. +49 (0)8092-7005-0E-Mail ukillat@cadfem.de25Anwendungen & Technologie