Virtuelles Prototyping und Wireless-Spannungsmessung

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Ein Design Tool für magnetische Komponenten

Am PES wurden im Rahmen einer Dissertation neue Ansätze zur Modellierung von Induktivitäten und deren thermischen Verlusten entwickelt. Unter anderem wurde ein Ansatz für die Mitberücksichtigung der DC-Vormagnetisierung im Arbeitspunkt, eine neue Formel für die Einbeziehung von Relaxationseffekten und ein Verfahren zur Bestimmung von Luftspaltreluktanzen erarbeitet. Zum Beispiel können die Kernverluste unter Einfluss einer DC-Vormagnetisierung um einen Faktor 2 bis 3 zunehmen; entsprechend ist deren Berücksichtigung entscheidend für eine genaue Kernverlust-Modellierung. Diese Erkenntnisse fliessen nun in das Tool GeckoMAGNETICS der Gecko-Simulations AG ein.

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Mittels GeckoMAGNETICS lassen sich induktive Komponenten folgendermassen entwickeln: Der Benutzer spezifiziert den gewünschten Induktivitätswert, die Kerngeometrie (sie ist aus einer Datenbank wählbar), die Wicklungsgeometrie, und die mittels GeckoCIRCUITS simulierten Strom- und Spannungsverläufe. GeckoMAGNETICS ist mit diesen Eingangsparametern in der Lage, ein optimales Design in Bezug auf Verluste oder Bauvolumen zu finden. Bild 2 zeigt die Benutzeroberfläche der Software GeckoMAGNETICS.

Wireless Voltage Probe – die drahtlose Spannungsmessung

Neben der Modellierung und Optimierung ist die experimentelle Verifikation ein Kernelement bei der Entwicklung leistungselektronischer Systeme. Dabei werden in gewissen Anwendungen Messsysteme mit hoher Isolationsfestigkeit (mehrere 10 kV) und hoher Immunität gegenüber Änderungen der Gleichtaktspannung (mehrere kV/µs) benötigt. Dies ist besonders relevant für Multilevel-Umrichter in Mittelspannungsanwendungen, z.B. für Windenergieerzeugung oder Traktion. Ebenso notwendig ist ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis zur genauen Erfassung von kleinen Signalen im Volt-Bereich, welche sich auf transientem Potenzial im Kilovolt-Bereich befinden.

Heute erhältliche (differentielle) Tastköpfe weisen eine begrenzte Isolationsfestigkeit von lediglich einigen kV auf. Zudem besitzen sie aufgrund der hohen Teilerverhältnisse limitierte Rauschabstände und limitierte Gleichtaktunterdrückungen bei hohen Frequenzanteilen.

Die aus dem PES hervorgegangene Spin-off-Firma Enertronics GmbH hat sich dieses Messproblems angenommen und bietet mit der Wireless Voltage Probe (einer drahtlosen, potenzialfreien Spannungssonde, Bild 3) eine leistungsfähige und sichere Lösung zur Messung auf hohem Referenzpotential. Diese Sonde weist aufgrund autonomer Energieversorgung mittels eines Akku und der drahtlosen Kommunikationsschnittstelle keine intrinsische Limitierung bezüglich der Isolationsspannung gegenüber Erdpotenzial auf. Des Weiteren erfolgt die Messung nicht differentiell, weshalb die Sonde eine äusserst hohe Gleichtaktunterdrückung und einen hohen Rauschabstand bietet.

Ein simultaner Einsatz mehrerer drahtloser Sonden ist ebenfalls möglich, um so mehrere Signale auf beliebigen Referenzpotenzialen zeitsynchron zu erfassen! Bedient und konfiguriert werden die Sonden am PC analog einem handelsüblichen Oszilloskop, wo schliesslich die Messdaten visualisiert werden und für weitere Berechnungen bereit stehen.

Im Folgenden werden die Messergebnisse der Wireless Probe mit der Messung eines differentiellen Tastkopfs verglichen. Dazu wurde in Bild 4 das Gate-Emitter Ansteuersignal (V_GE) eines IGBTs in einem 2-Level-Umrichter gemessen. Ersichtlich ist, dass während der Transienten der Gleichtaktspannung (V_CM) das Signal des differentiellen Tastkopfs erheblich gestört wird, während das mit der Wireless Probe gemessene Signal ein wie erwartet flaches Miller-Plateau zeigt.

Zur Veranschaulichung der Gleichtaktunterdrückung wurde zusätzlich in Bild 5 eine Messung mit kurzgeschlossenem Messeingang auf transientem Bezugspotenzial durchgeführt. Deutlich zu sehen ist die wesentlich geringere Sensitivität der Wireless Probe bezüglich Gleichtaktspannungen im Vergleich zum differentiellen Tastkopf.

Mit einer Abtastrate von 400 MS/s können Signale bis zu einer Analogbandbreite von 100 MHz sinnvoll erfasst werden. Die kompakten äusseren Abmessungen von 12 cm x 7,4 cm x 3,3 cm und das geringe Gewicht von 280 Gramm erlauben eine flexible Platzierung im Messaufbau, und der leistungsfähige Li-Ion-Akku ermöglicht eine Betriebsdauer von mindestens acht Stunden.

Vereinigung von Simulation und Messung

Um schliesslich den Design- und Realisierungsprozess leistungselektronischer Systeme so effizient wie möglich zu gestalten, ist die Schnittstelle der Wireless Probe am PC mit dem Schaltungssimulator GeckoCIRCUITS koppelbar, d.h. Simulation und Messung lassen sich vereinen. Dies ermöglicht eine zielgerichtete Analyse und Fehlersuche sowohl bei der Hardware als auch der Modellierung mittels direktem Vergleich von Mess- und Simulationsdaten.

Auf der Messe PCIM Europe in Nürnberg (14. bis 16.5.2013) werden GeckoMAGNETICS und die Wireless Voltage Probe am Gemeinschaftsstand des European Center für Power Electronics (ECPE) erstmals einer breiten Öffentlichkeit vorgestellt.

* * Jonas Mühlethaler und Andreas Müsing sind Gründer der Gecko-Simulations AG, Zürich und

* Yanick Lobsiger und Dominik Bortis sind Gründer der Enertronics GmbH, Zürich.

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