Simulation leitungsgebundener Störungen in Leistungselektronik

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Feldsimulation als virtuelle Messung

Die Feldsimulation des Layouts kann als virtuelle Messung mit einem Vektor-Netzwerkanalysator angesehen werden. Dieses n-Tor-Netzwerk zwischen externen Terminals und den einzelnen Bauteilen soll in einem Analogsimulator (Schaltungs-/Systemsimulation) mit den Bauteilen und den externen Quellen und Lasten verknüpft werden, um in einer transienten Simulation die Signale (Strom- und Spannungsverläufe) an verschiedenen Bauteilen zu ermitteln. Die Verdrahtung in der Systemsimulation kann mit der Bestückung der leeren Platine verglichen werden (Bild 3).

ANSYS Q3D Extractor bietet die Möglichkeit, sowohl DC-Widerstände und -Induktivitäten zu berechnen als auch Wirbelstromverdrängungseffekte und so erhöhte Widerstandsbeläge und induktive Kopplungen im AC-Fall zu berücksichtigen. Die Berücksichtigung dieser beiden Regimes ist notwendig, um das reale Verhalten leistungselektronischer Schaltungen gut abzubilden. Denn einerseits liegt der Arbeitspunkt für Schaltnetzteile typischerweise bei DC oder geht für Wechselrichter nicht über den Kilohertzbereich hinaus und andererseits ist das EMV-Verhalten bei hohen Frequenzen stark durch induktive Kopplungen und Wirbelstromverdrängungseffekte geprägt.

Für die Bestimmung des Verhaltens von passiven Bauteilen – wie Kondensatoren und Induktivitäten, die meist Zukaufbauteile sind – erweist es sich als nützlich, Impedanzmessungen durchzuführen, zum Beispiel mit Hilfe eines Netzwerkanalysators, und daraus Verhaltensmodelle zu extrahieren. Für Kondensatoren besteht ein einfaches Verhaltensmodell aus der Reihenschaltung einer idealen Kapazität, einer idealen Induktivität (ESL) und eines Widerstandes (ESR).

Hier können, wie im ersten Teil der Artikelserie beschrieben, die parasitäre Induktivität und Widerstand als der Induktivitäts- und Widerstandsbelag der Zuleitung des Kondensators angesehen werden. Ähnlich besteht ein einfaches Verhaltensmodell, das die erste Resonanz einer Induktivität beschreibt, aus der Reihenschaltung des DC-Widerstandes mit einem RLC-Parallelschwingkreis.

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Bauteilbibliothek für EMV-Simulationen

Die ANSYS EM Suite bietet sowohl die Möglichkeit, mit Hilfe eines Tuning-Werkzeugs per Hand diese Schaltkreisparameter zu extrahieren, als auch eine automatisierte Verhaltensmodellgenerierung auf Basis von Touchstone-Files der Messdaten durchzuführen. Auf diese Weise kann der Anwender eine Bibliothek von häufig verwendeten Bauteilen aufbauen, die in EMV-Simulationen schnell nutzbar sind.

Um das dynamische Verhalten der Halbleiterelemente zu beschreiben, werden sowohl die nichtlinearen Kennlinien, beispielsweise die Transfer-Charakteristik von MOSFETs, benötigt als auch Kapazitäten zwischen den verschiedenen Anschlüssen der Halbleiter, zum Beispiel die Gate-Source-Kapazität von MOSFETs. Erst diese Kenndaten erlauben es, dynamische Effekte wie das Miller-Plateau beim Schalten eines MOSFETs darzustellen.

Der ANSYS Simplorer kann einerseits Verhaltensmodelle von den Herstellern dieser Komponenten im Spice- oder PSpice-Format lesen und andererseits eigene Verhaltensmodelle mit dem Device Characterisation Tool generieren. Mit den eben beschriebenen Methoden lassen sich gute dynamische Verhaltensmodelle für alle Teile des Wandlers von den Einzelkomponenten bis zum Layout erzeugen.

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