Die Modellierung und Simulation leistungselektronischer Systeme kann unter Verwendung unterschiedlichster Abstraktionsebenen und Komplexitäten erfolgen. Portunus bietet für eine Vielzahl der möglichen Anwendungen ideale Voraussetzungen. Neben den Standard-Funktionen und Schnittstellen von Portunus kann der Anwender eine Vielzahl fertiger Modelle und Parametersätze aus der Power Electronics Library verwenden.

Die besonderen Herausforderungen bei der Simulation leistungselektronischer Systeme sind darin begründet, dass aufgrund der unterschiedlichen wirksamen Zeitkonstanten teilweise starke Vereinfachungen in der Nachbildung der Bauelemente und der Ansteuerung erforderlich sind. Diese Vereinfachungen erfordern wiederum spezielle Funktionalitäten des Simulators.

Die vielfältigen Modellierungsmöglichkeiten in Portunus und der mit einer variablen Schrittweite arbeitende Simulator bieten hervorragende Voraussetzungen für eine effiziente Leistungselektronik-Simulation. Die Bauelemente können sowohl mit „Schaltermodellen” (unter Verwendung von Kennlinien oder als gänzlich ideale Schalter), durch detailliertere Netzwerke (z.B. Herstellermodelle in SPICE oder VHDL-AMS) oder durch eine Kombination beider Ansätze nachgebildet werden. Im Gegensatz zu einer Reihe anderer Simulatoren führen die bei der Verwendung idealer Schalter sich ergebenden rechteckförmigen Spannungsverläufe in Portunus nicht zu Konvergenzproblemen.

Die Generierung der Ansteuersignale kann auf unterschiedliche Arten erfolgen. Die Power Electronics Library enthält bereits für eine Vielzahl von Standard-Algorithmen fertige Modelle. Eine einfache Form der graphischen Logik-Modellierung ist die Erstellung eines Zustandsgraphs. Üblicherweise ist jedem Element des Zustandsgraphs ein Schaltzustand des leistungselektronischen Systems zugeordnet. Die Übergänge zwischen den Zuständen können zeitlich oder durch einen Vergleich zwischen Soll- und Istwerten (beispielsweise des Stroms) gesteuert werden. Für komplexere Ansteuerungen bietet sich die Verwendung der Programmierschnittstelle (C++) an. Erfahrungsgemäß lässt sich eine Vielzahl von Bedingungen leichter im Code als über eine grafische Eingabe umsetzen. Als weiterer Vorteil kommt hinzu, dass der im realen System eingesetzte Code u. U. zumindest teilweise integriert werden kann. Eine weitere Möglichkeit zur Nachbildung der Ansteuerung ist der Einsatz einer Simulator-Kopplung, beispielsweise zu Matlab® / Simulink® oder die Verwendung von VHDL-AMS.

Oftmals soll in der Simulation die Berechnung der elektrischen Größen, der resultierenden Verlustleistungen und der sich daraus ergebenden Temperaturen verknüpft werden. Der Aufbau der erforderlichen thermischen Netzwerke und die Verbindung mit den Größen des elektrischen Systems sind in Portunus einfach realisierbar.

Zu Problemen führt immer wieder der Umstand, dass bereits kleine Ungenauigkeiten in den Verläufen der elektrischen Größen zu starken Fehlern bei der Berechnung der Verlustleistung führen. Im Gegenzug ist festzuhalten, dass die für hochgenaue Simulationen erforderlichen kleinen Schrittweiten zu langen Rechenzeiten führen, wodurch eine effiziente elektro-thermische Simulation unmöglich wird. Eine Alternative dazu ist der Einsatz von Mittelwert-Modellen, die einfache Schaltermodelle mit Funktionen (analytisch oder mittels Wertetabellen) zur Bestimmung der Durchlass- und Schaltverluste kombinieren. In Zusammenarbeit mit Infineon wurde in Portunus ein derartiges Modell für IGBTs mit Freilaufdiode entwickelt, für das mehr als 100 Parametersätze verfügbar sind. Dieser Ansatz wird auch in einem webbasierten „Power Module Selector and Simulator” verwendet, bei dem alle erforderlichen Simulationen von Portunus durchgeführt werden.

Die Beschreibung der Last des leistungselektronischen Systems kann wiederum in Abhängigkeit von der Anwendung auf unterschiedliche Weise erfolgen. In vielen Fällen genügen von Zeitfunktionen gesteuerte Stromquellen bzw. einfache Netzwerke. Ebenso können die in Portunus vorhandenen Modelle elektrischer Maschinen oder auch komplexere Strukturen, beispielsweise unter Nutzung der Magnetkreismodelle, erstellt werden.

Produkt-Flyer „Power Electronics Library”