Dynamische Verluste einer Halbbrücke in LtSpice simulieren

[Dan K. (dennis_k76)]

Moin,

Nach einer längeren Suche bin ich nun endlich verzweifelt genug einen 
Beitrag zu schreiben. Es geht um die Schaltverluste (NICHT um die 
statischen Verluste)einer MOSFET-Halbbrücke.

Diese werden mit PWM-Signalen (f=20kHz) angesteuert, die vereinfachte 
Berechnung der Schaltverluste ergibt:
Vz=100V
Cr=105pF
Il=30A
f=20kHz
Ig=540mA

PV = (Cr*Vz^2*f*Il) / Ig = 1,2 W

Um mein Ergebnis zu überprüfen habe ich mit LtSpice versucht die 
Schaltung nachzubilden, dabei wird das MOSFET-Modell des Herstellers 
verwendet (IRFS4115).

Im Bild Waveform_PVon sind die Verluste des Einschaltvorgangs zu 
erkennen, der Laststrom zur Induktivität ist ca. 25A , die 
Schaltverluste PV betragen in einem Zeitfenster von ca. 5ns bis zu 64kW!

"Gemessen" werden die Verluste aus der Spannung Vds und dem Strom durch 
den Halbleiter Id.

Mir kommt der Wert sehr groß vor, wie werden diese Transienten mit der 
errechneten Größe in Bezug gebracht? Bzw. was kann ich mit der 
simulierten Verlustleistung anfangen? `

Ich würde die Verlustleistung gerne in ein Diagramm übertragen, auf dem 
Zwischenkreisspannung, Laststrom und Verluste aufgeschlüsselt sind 
(Surfplot). Wie kann ich meine simulierten Verluste in eine verwendbare 
Form bringen?

Ich wäre sehr dankbar, wenn Ihr mir helfen könntet.

Gruß

Dan

[voltwide (Gast)]

Simulationen in diesen Zeitbereichen sind imho ziemlich fragwürdig.
Das liegt allerdings wohl weniger an LTSpice selbst.

Zum einen weiss man nicht, wie gut das MOSFET-Modell hier noch 
funktioniert.

Ausserdem kann eine solche Simulation nur ein Abbild der Wirklichkeit 
sein, wenn auch alle parasitären Elemente mit simuliert werden.
Und daran hapert es eigentlich immer - oder hast Du sämtliche realen 
Leitungsinduktivitäten Deiner Schaltung simuliert?
Füge mal in die source- drain- oder gate Leitung 10-100nH ein und Du 
wirst feststellen, dass die Stromraten schonmal deutlich zurück gehen, 
und damit auch die Peakleistungen.

[voltwide (Gast)]

Ansonsten noch ein Tipp: Mach Dich vertraut mit dem LTspice "Measure" 
Kommando. Damit werden Messergebnisse in das log-file geschrieben, dass 
Du dann auswerten kannst.

[voltwide (Gast)]

Ansonsten zeigten sich in diesem Kontext immer deutliche Diskrepanzen 
zwischen Theorie (LTSpice) und Praxis (Leistungsmessung).

Bei "hard-switching" sind die Verluste meist deutlich höher als durch 
die Umladungseffekte zu erwarten wäre. Hier kommen einfach noch ganz 
ordinäre Einschaltverluste aufgrund endlicher Schaltzeiten hinzu.

Und bei "soft-switching" erfolgt auch die Umladung der Kapazitäten 
nahezu verlustlos. Da bleibt der MOSFET kalt.

[Dan K. (dennis_k76)]

Danke voltwide,

natürlich gibt es parasitäre Effekte durch Leitungsinduktivitäten, die 
in der realen Schaltung durch z.B. ein Boucherot-Glied ausgeglichen 
werden müssen. Eine Verlustbestimmung sollte also nach wie durch eine 
Messung an der Schaltung erfolgen.

Rein Interessehalber:
Wie ermitteln denn die Profis die Schaltverluste in der Auslegungsphase? 
Wird da geschätzt, genauer simuliert oder mehrere Prototypenboards von 
Anfang an verblasen?

Freitag ab eins macht jeder Seins, schonmal ein schönes Wochenende.

Gruß

voltwide schrieb:
> Ansonsten noch ein Tipp: Mach Dich vertraut mit dem LTspice "Measure"
> Kommando. Damit werden Messergebnisse in das log-file geschrieben, dass
> Du dann auswerten kannst.

Ich verwende LtSpice2Matlab zur Auswertung der Messdaten, Matlab stellt 
ebenfalls sämtliche Plotfunktionalität zur Verfügung. Aber ich werde mir 
das mal angucken. Danke dafür.

voltwide schrieb:
> Bei "hard-switching" sind die Verluste meist deutlich höher als durch
> die Umladungseffekte zu erwarten wäre. Hier kommen einfach noch ganz
> ordinäre Einschaltverluste aufgrund endlicher Schaltzeiten hinzu.
>
> Und bei "soft-switching" erfolgt auch die Umladung der Kapazitäten
> nahezu verlustlos. Da bleibt der MOSFET kalt.

Der Gate-Widerstand beträgt ca. 15 Ohm, daraus folgt eine Einschaltzeit 
von ca. 108 ns (simuliert und gemessen).

[Udo S. (urschmitt)]

http://www.edn.com/electronics-blogs/anablog/4311558/Bob-Pease-didn-t-hate-Spice-simulations