TopBench

Download: TopBench Version 2.0 vom 23.10.2020
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Lizenz: GPLv3 | Kontakt: Dr.-Ing. Christian Nöding

Vergleich TopBench und Plexim PLECS (PDF)

Mit dem entwickelten Programm „TopBench“ können vielfältige Berechnungen für DC/DC- und DC/AC-Wandler meist in Echtzeit durchgeführt werden. Hierzu werden sämtliche Strom- und Spannungssignale über hinterlegte Formeln berechnet, die über Eingabemasken parametrisiert werden können. Dabei greift das Programm auf eine Halbleiterdatenbank zurück, um Halbleiterverluste und Wirkungsgrade berechnen zu können. Die Abbildung zeigt den Editor, mit dessen Hilfe die Halbleitereigenschaften eingegeben werden können. Über einen PDF-Importer können Parameterkurven per Mauseingaben leicht importiert werden. Die eingegebenen Datenpunkte werden schließlich in Koeffizienten für polynomische oder logarithmische Funktionen gefittet, sodass neben einer stufenlosen Interpolation auch eine Extrapolation der Daten möglich ist.

Eine grafische Ansicht stellt auf einen Blick alle wichtigen Informationen zu Durchlass-, Ein- und Ausschaltverlusten sowie der berechneten Junction-Temperatur und der Chipfläche dar.

Über einen integrierten Funktionsplotter können wichtige Zeitfunktionen über wählbare Zoomparameter dargestellt und neben Strom- und Spannungsverläufen auch Halbleiterverluste für einzelne Halbleiter als Zeitfunktion angezeigt werden. Auswirkungen von Parameteränderungen (z.B. Zwischenkreisspannung, Anzahl parallelgeschalteter Halbleiter oder Änderung des Gatevorwiderstands) sind direkt einsehbar.

Mit Hilfe der integrierten Chipflächenoptimierung kann in einer Optimierungsschleife unter Verwendung der in der Halbleiterdatenbank hinterlegten thermischen Widerstände eine Junction-Temperatur berechnet werden. Um eine angegebene maximale Junction-Temperatur nicht zu überschreiten, wird automatisiert eine minimal benötigte Chipfläche in cm² berechnet. Dabei kann wahlweise auch ein Bruchteil eines realen Halbleiterchips ermittelt werden, um eine feinere Granularität für den theoretischen Vergleich einer Schaltungstopologie zu erreichen. Über eine Option kann schließlich diese berechnete Chipfläche auf reale Halbleitermodule aufgerechnet werden.

Eine übersichtliche Darstellung der Berechnungsergebnisse erlaubt das implementierte Benchmark-Tool. Dieser Teil der Anwendung ermöglicht neben einem einstellbaren automatisierten Parametersweep über die Eingangsspannungund den Leistungsfaktor die Analyse der Halbleiterverluste getrennt nach Durchlass- und Schaltverlusten sowie Schalter und Diode. Dabei kann über Wahlregler die darzustellende Leistung, die Eingangsspannung und der Leistungsfaktor ohne Nachberechnung gewählt und geplottet werden. Gewählte Schaltungsparameter können auf diese Weise leicht kontrolliert werden und z.B. Auswirkungen des Lückbetriebs bei bestimmten Spannungsverhältnissen bei den gewählten Halbleitern kontrolliert werden.

Neben der Darstellung von Wirkungsgrad- und Verlustleistungskurven in verschiedenen Varianten, erlaubt das Benchmark-Tool auch einen direkten Vergleich von Schaltungen. Die Abbildung zeigt eine mögliche Darstellung des europäischen Wirkungsgrades aufgetragen über die Eingangsspannung und die AC-Ausgangsspannung an insgesamt 66 Berechnungspunkten. Zusammen mit der ermittelten Chipfläche als Anhaltspunkt für die Halbleiterkosten kann somit übersichtlich z.B. eine optimale Ausgangsspannung für die eingestellten Halbleiter ermittelt werden.

Übergeordnet ist zusätzlich zum Parametersweep über Eingangsspannung und Leistungsfaktor des Benchmark-Tools ein weiterer Parametersweep über die AC- oder DC-Schaltfrequenz möglich. Somit kann mit wenigen Einstellungen ein vollständiges Abbild einer leistungselektronischen Schaltung ermittelt werden und eine optimale Auslegung gefunden werden. Da eine Änderung der Schaltfrequenz mit einer Rekonfiguration unter anderem der magnetischen Bauteile einhergeht, kann über den integrierten Formelparser eine Berechnungsvorschrift für Parameter hinterlegt werden, welche bei Ausführen des Parametersweeps automatisch neu berechnet werden. Schlussendlich können mehrere TopBench-Projekte in einer Stapelverarbeitung unter Verwendung sämtlicher Parametersweeps automatisch durchgerechnet werden und die gewonnenen Werte als Parameterdatei für weitere Analysen automatisch exportiert werden.

Um eigene Programmerweiterungen schreiben zu können, bietet das Programm zusätzlich eine Pluginschnittstelle, über die eigener Programmcode mit in die Berechnung implementiert werden kann. Während eines einzelnen Berechnungsschrittes werden hierzu sämtliche Einstellungen die Schaltung und die Verlustanteile betreffend dem Plugin zur Verfügung gestellt. Das Plugin kann somit eigene Durchlass- und Schaltverluste berechnen und dem Hauptprogramm zurückgeben. Da die Plugins aus herkömmlichen 32-Bit Dynamic-Link-Libraries (DLLs) bestehen, kann neben der für TopBench verwendeten Programmiersprache Embarcadero „Delphi XE2“ auch Visual C++, C# oder andere Programmiersprachen genutzt werden, die Windows 32-Bit Bibliotheksdateien erstellen können. Ein konkreter Anwendungsfall wäre z.B. die Berechnung der Drosselverluste auf Basis eines bestimmten hinterlegten Drosselmodells. Anpassungen an der Hauptsoftware sind zudem ohne weiteres möglich.