Wie IPOSIM die Leistungselektronik-Entwicklung beschleunigt

In den vergangenen Jahrzehnten hat die Computersimulation die Entwicklung leistungselektronischer Systeme grundlegend verändert. Durch den Einsatz virtueller Prototypen hat sich ein Großteil des Entwicklungsprozesses in den digitalen Raum verlagert, sodass Ingenieure heute Schaltungen, Bauteile und Regelalgorithmen bereits am Computer konstruieren und testen können. Die Abhängigkeit von zeit- und kostenintensiven Hardware-Prototypen konnte somit deutlich reduziert werden.

Allerdings stoßen bestehende Simulationsansätze an ihre Grenzen: Während detaillierte Bauteilsimulationen eine hohe Genauigkeit bieten, sind sie für Systemanalysen meist zu aufwendig. Umgekehrt ermöglichen schnelle Simulationen auf Systemebene zwar kurze Rechenzeiten, bilden jedoch das reale Schaltverhalten nur unzureichend ab. Besonders kritisch ist das bei Stromrichtern, deren Wirkungsgrad maßgeblich durch Halbleiterverluste beeinflusst wird. Schaltverluste machen dabei oft zwischen 30 und 70 Prozent der Gesamtverluste aus.

Die hier üblichen Online-Simulationen basieren häufig auf vereinfachten, datenblattbasierten thermischen Verlustmodellen, die weder die nichtlinearen Abhängigkeiten im Schaltverhalten noch den Einfluss externer Beschaltungen praxisnah abbilden können. Das führt dazu, dass entscheidende Effekte im Systemdesign größtenteils erst spät erkannt werden können, weshalb Entwickler auf aufwendige Hardware-Tests im Sinne eines Trial-and-Error-Vorgehens angewiesen sind, um die Schaltleistung überhaupt bewerten zu können.

Um diese mühsamen und auch kostspieligen Schritte zu vereinfachen, braucht es dringend Simulationsansätze, die eine hohe Modellgenauigkeit mit schneller Verfügbarkeit und einfacher Zugänglichkeit verbinden – insbesondere in frühen Phasen des Entwicklungsprozesses. Doch wie können realitätsgetreue Simulationen bereits zu einem frühen Zeitpunkt effizient umgesetzt werden?

Integration von SPICE-Modellen in IPOSIM

Eine vielversprechende Lösung besteht darin, die Genauigkeit physikalischer Bauteilmodelle mit der Effizienz systemorientierter Simulationen zu kombinieren. Genau hier setzt ein neuer Ansatz an, der im Online-Simulationstool IPOSIM umgesetzt wird. Damit wird erstmals eine hochgenaue und gleichzeitig schnelle Systemsimulation unter realitätsnahen Betriebsbedingungen in frühen Designphasen ermöglicht.

Im Zentrum steht die Integration von SPICE-basierten Kompaktmodellen, die das statische und dynamische nichtlineare elektrische und thermische Verhalten von Leistungshalbleitern mit hoher Detailtreue beschreiben. Dazu zählen auch realistische Schalttransienten und deren Einfluss auf die umgebende Schaltung. Im Gegensatz zu vereinfachten Ersatzmodellen ermöglichen SPICE-Modelle eine physikalisch fundierte Abbildung komplexer Effekte wie parasitäre Einflüsse und nichtlineare intrinsische Bauteileigenschaften. Auf diese Weise wird die Simulation von Schaltverhalten, Verlusten und thermischer Belastung realistischer. Bild 1 zeigt ein vereinfachtes Flussdiagramm des auf einem Python-Skript basierenden Modellgenerierungsprozesses, das einen SPICE-Simulator steuert.

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Die Integration der Modelle in IPOSIM erfolgt automatisch, indem SPICE-Simulationen in IPOSIM-kompatible Modelle im XML-Format überführt werden. Dadurch kann das Verhalten kompletter leistungselektronischer Systeme unter realistischen Betriebsbedingungen simuliert und analysiert werden, ohne dass die Rechenzeiten signifikant steigen. Gleichzeitig erlaubt der Ansatz die gezielte Anpassung applikationsspezifischer Einflussgrößen, die das Schaltverhalten maßgeblich bestimmen, darunter Gate-Widerstand, Gate-Spannung, parasitäre Streuinduktivitäten und definierte Totzeiten. Auf diese Weise lassen sich reale Betriebsbedingungen systematisch nachbilden und deren Einfluss auf Schaltverluste, Überschwingverhalten und Effizienz bewerten.

Die Umsetzung dieses Ansatzes ist jedoch mit Herausforderungen verbunden. So müssen einerseits nichtlineare elektrische und thermische Effekte der Halbleiter präzise erfasst werden. Andererseits üben externe Beschaltungen und Gate-Treiber einen erheblichen Einfluss auf das Schaltverhalten aus und müssen ebenfalls berücksichtigt werden. Gleichzeitig besteht ein Zielkonflikt zwischen hoher Modellgenauigkeit und kurzen Rechenzeiten, wie sie für Online-Tools üblich sind. Darüber hinaus ist eine zuverlässige Validierung kompakter SPICE-Modelle anhand umfangreicher Labormessdaten notwendig, um eine praxisnahe Abbildung zu ermöglichen. Diese Herausforderungen werden im Online-Simulationstool IPOSIM gezielt adressiert und in einer benutzerfreundlichen Umgebung umgesetzt.

Die Features von IPOSIM SPICE im Detail

IPOSIM ist als vollständig browserbasierte Anwendung konzipiert und erfordert keine lokale Installation. Damit steht das Tool ohne zusätzlichen Integrationsaufwand direkt zur Verfügung und kann flexibel in bestehende Entwicklungsprozesse eingebunden werden. Der Zugang erfolgt kostenfrei über eine Registrierung, wodurch eine niedrige Einstiegshürde für Entwickler geschaffen wird. Gleichzeitig erlaubt die Online-Umgebung eine schnelle Durchführung von Simulationen sowie den direkten Vergleich unterschiedlicher Designvarianten.

Die Grundlage bildet die Integration von physikalisch basierten (SPICE-)Kompaktmodellen, die sowohl das statische als auch das dynamische nichtlineare elektrische und thermische Verhalten der Halbleiter mit hoher Detailtreue abbilden. Daraus werden automatisch IPOSIM-kompatible Modelle im XML-Format generiert, die eine effiziente Simulation auf Systemebene ermöglichen. Dadurch lassen sich Schaltvorgänge wie Turn-on- und Turn-off-Wellenformen, Schaltenergien sowie Verlustbeiträge unter realistischen Bedingungen analysieren.

Bild 2 zeigt exemplarisch Turn-On- und Turn-Off-Verluste eines 1200-V-SiC-MOSFETs über Strom, Spannung und Temperatur im generierten Modell. Die Darstellung verdeutlicht, dass die Verluste stark von der Schaltungsanordnung, den Betriebsbedingungen und der Geräteauslegung abhängen, und zeigt damit, wie die SPICE-basierten Modelle realistische Systemsimulationen bereits in frühen Entwicklungsphasen ermöglichen.

Der aktuelle Funktionsumfang zeigt sich bereits in der ersten Version: IPOSIM SPICE unterstützt diskrete 1200-V-SiC-Bauteile in Drei-Phasen-Zwei-Level-Topologien sowie über 34 kompatible Infineon-Gate-Treiber. Die zugrunde liegenden physikalischen Kompaktmodelle wurden umfassend anhand von Labormessungen validiert, unter anderem hinsichtlich Schaltwellenformen, Schaltenergien, Überschwingverhalten und Dioden-Verhalten.

Mit diesen Kompaktmodellen können Entwickler in frühen Designphasen Bauteile auswählen, deren Leistung vergleichen und das Leit- sowie Schaltverhalten von SiC-MOSFETs in Inverter- und Konverter-Designs optimieren. Zudem lassen sich unterschiedliche Gate-Treiber für gegebene Bauteile und Betriebszustände vergleichen, und EMI-kritische Übergänge sowie Spannungsspitzen können analysiert werden, noch bevor Hardware aufgebaut wird.

Die Online-Simulation liefert derzeit numerische Verlustwerte und soll zukünftig auch vollständige Schaltkurven auf Basis physikalisch fundierter SPICE-Modelle bereitstellen. So wird im Vergleich zu datenblattbasierten Ersatzmodellen eine deutlich höhere Systemgenauigkeit ermöglicht. Außerdem berücksichtigt die Simulation Hunderte Betriebszustände pro Bauteil bei unterschiedlichen Strom-, Spannungs- und Temperaturbedingungen und erlaubt eine fundierte Analyse und die Optimierung leistungselektronischer Systeme. Dies führt zu einer höheren Genauigkeit und Sicherheit bei der frühzeitigen Bauteilauswahl. Zudem wird der Bedarf an Hardware-Prototypen und Labortests reduziert. Gleichzeitig verkürzen sich die Entwicklungszyklen, wodurch die Markteinführung beschleunigt wird. Darüber hinaus ermöglicht der Ansatz eine gezieltere Optimierung von Wirkungsgrad und thermischer Leistungsfähigkeit.

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Fazit und Ausblick

Mit der Integration von SPICE-basierten Kompaktmodellen in eine effiziente Systemsimulation schließt IPOSIM SPICE die bisherige Lücke zwischen hochgenauer Bauteilsimulation und schneller Systemanalyse. Entwickler erhalten damit erstmals die Möglichkeit, das reale Schaltverhalten von Leistungshalbleitern im Systemkontext mit hoher Genauigkeit und gleichzeitig kurzer Simulationszeit zu bewerten. So können entscheidende Effekte bereits in frühen Phasen des Entwicklungsprozesses berücksichtigt werden, ohne auf aufwendige Hardware-Validierung angewiesen zu sein. Dies verbessert die Auslegung von leistungselektronischen Systemen und reduziert Entwicklungszeiten und -kosten.

Die Weiterentwicklung des Ansatzes bietet darüber hinaus vielversprechende Perspektiven für die Zukunft. So umfassen kommende Erweiterungen die Unterstützung zusätzlicher Halbleitertechnologien und Bauteilklassen, darunter CoolMOS, CoolSiC-Module, OptiMOS sowie CoolGaN-Lösungen. Gleichzeitig ist eine Ausweitung auf weitere Topologien sowie erweiterte Systemanalysefunktionen vorgesehen. Damit entwickelt sich IPOSIM SPICE zu einem leistungsfähigen Werkzeug, das die Entwicklung moderner leistungselektronischer Systeme nachhaltig unterstützt und den Übergang von der Bauelement- zur Systemebene weiter vereinfacht. (na)