交通電氣化正在改變車輛的設(shè)計、測試和制造方式。控制器硬件在環(huán) (C-HIL)，也稱為信號 HIL，已成為測試電力電子控制固件的替代方法，它易于使用，通過自動化實現(xiàn)廣泛的測試覆蓋范圍，并且成本相對較低。包括功率流的測試方法，例如功率 HIL 設(shè)置。

隨著電動汽車的普及加速，固定式充電器和車載充電器 (OBC) 越來越受到業(yè)界的關(guān)注，這對電動汽車的未來提出了至關(guān)重要的挑戰(zhàn)。為了支持使用 C-HIL 開發(fā)和測試電動汽車充電器控制，必須對這些應(yīng)用中典型的高開關(guān)頻率電源轉(zhuǎn)換器進(jìn)行高保真度實時仿真。本文概述了以準(zhǔn)確、安全和經(jīng)濟高效的方式實現(xiàn)這一目標(biāo)的挑戰(zhàn)和關(guān)鍵解決方案。

我使用的是博多動力系統(tǒng) [PDF]

電力電子實時仿真

電力電子電路的實時仿真通常在基于 FPGA 的仿真器上執(zhí)行。設(shè)計此類基于 FPGA 的平臺時，請考慮三個關(guān)鍵方面：

開關(guān)模型復(fù)雜性：半導(dǎo)體開關(guān)模型可以以各種保真度進(jìn)行仿真，范圍從用于硬件設(shè)計的高度詳細(xì)的瞬態(tài)模型到理想的開關(guān)模型，甚至用等效源替換開關(guān)的平均轉(zhuǎn)換器模型。

可實現(xiàn)的時間步長：根據(jù)開關(guān)模型的復(fù)雜性，需要不同的時間步長才能正確模擬所有感興趣的動態(tài)。對瞬態(tài)模型中的寄生效應(yīng)進(jìn)行高度詳細(xì)的仿真可能需要皮秒分辨率，而平均轉(zhuǎn)換器模型可以在每個開關(guān)周期使用一個仿真步驟進(jìn)行仿真。

易于使用：通過在 VHDL 中手動編碼和優(yōu)化所需轉(zhuǎn)換器的方程，可以實現(xiàn)性能。然而，修改這樣的優(yōu)化模型將非常耗時且具有挑戰(zhàn)性。相反，更通用的模擬方法可能缺乏實現(xiàn)所需的短時間步長所需的優(yōu)化。

開發(fā)有效的 HIL 模擬器平臺的主要挑戰(zhàn)是平衡這三個要求。 Typhoon HIL 平臺通過以下設(shè)計選擇專門針對電力電子應(yīng)用而設(shè)計：

圖形原理圖編輯器：圖形原理圖編輯器用于設(shè)計電路。使用可配置的 FPGA 求解器來代替生成 VHDL 代碼以及綜合、比特流生成等。該模型通過單擊編譯過程加載到求解器，通常需要不到一分鐘的時間。

理想開關(guān)模型：與高度詳細(xì)的開關(guān)模型不同，理想開關(guān)模型不需要亞納秒時間步長來模擬開關(guān)換向。然而，它仍然能夠以高保真度模擬電力電子轉(zhuǎn)換器，以進(jìn)行控制設(shè)計和測試。使用不同組的狀態(tài)空間矩陣來模擬不同開關(guān)狀態(tài)組合對應(yīng)的電路。這意味著可以通過具有兩個不同矩陣集的兩個連續(xù)時間步來模擬切換事件。通過添加正向壓降可以輕松增強理想開關(guān)模型。

GDS 過采樣： HIL 模擬器數(shù)字輸入處的 柵極驅(qū)動信號(GDS) 的采樣速度快于模擬時間步長。由于控制器時鐘與模擬器不同步，因此選通信號的邊沿出現(xiàn)在模擬時間步長的持續(xù)時間內(nèi)。該邊緣（切換事件）帶有時間戳，該信息用于補償即將到來的時間步中的模擬結(jié)果，從而提高切換事件檢測的分辨率。

Typhoon HIL 模擬器十多年來已成功應(yīng)用于各種電力電子應(yīng)用，一代能夠以低至 200 ns 的時間步長和 3.5 ns 的 DI 采樣分辨率來模擬電路。

DC-DC 轉(zhuǎn)換器仿真

典型的電動汽車充電器由輸入功率因數(shù)校正 (PFC) 級和隔離式 DC-DC 級組成，后者通常使用雙有源電橋 (DAB) 或諧振（LLC、CLLLC）轉(zhuǎn)換器拓?fù)錁?gòu)建。由于以下原因，這些 DC-DC 拓?fù)涞膶崟r仿真要求特別高：

高開關(guān)頻率：這些通常用于減小高頻變壓器的尺寸和重量，由于體積和重量的限制，這在 OBC 應(yīng)用中尤其重要。如今，超過 100 kHz 的開關(guān)頻率很常見，通常使用寬帶隙半導(dǎo)體來實現(xiàn)。

開關(guān)頻率下的功率傳輸：在并網(wǎng)轉(zhuǎn)換器和電力驅(qū)動應(yīng)用中，主功率傳輸發(fā)生的頻率至少比開關(guān)頻率低一個數(shù)量級。對于具有高頻變壓器的轉(zhuǎn)換器（例如 DAB 和 LLC 轉(zhuǎn)換器），功率傳輸以開關(guān)頻率進(jìn)行。這意味著即使時間分辨率有很小的損失也會直接影響功率傳輸，從而影響模型保真度，進(jìn)而影響控制器的運行。

有趣的是，DAB 和 LLC 拓?fù)鋾r間分辨率損失的主要來源既不是模擬時間步長，也不是數(shù)字輸入采樣分辨率。相反，它源于檢測二極管電流過零，因為這種類型的開關(guān)事件通常是在實時應(yīng)用中以時間步分辨率檢測的。這可以通過以 100 kHz 的頻率運行 DAB 轉(zhuǎn)換器開關(guān)（死區(qū)時間為 2%）來說明，并且仿真時間步長有意設(shè)置為相對較長的 500 ns。如圖 1 所示，仿真結(jié)果在大多數(shù)工作點與參考功率傳輸曲線非常吻合。然而，在某些點上，與參考值存在顯著偏差。這些是死區(qū)時間內(nèi)繞組電流過零的工作點。

通過與工業(yè)合作伙伴的合作調(diào)查，Typhoon HIL 得出結(jié)論，以低至 200 ns 的時間步運行的 DAB 和 LLC 模型仍然無法為 HIL 測試提供足夠的保真度。為了改進(jìn)這些模型中的二極管電流過零檢測，開發(fā)了專用求解器。

DC-DC 轉(zhuǎn)換器求解器

DC-DC 轉(zhuǎn)換器求解器是一款優(yōu)化的 FPGA 模塊，能夠以 25 ns 時間步長模擬 DAB 和 LLC 系列轉(zhuǎn)換器。這可以實現(xiàn)具有兩種模擬速率的多速率模擬：

可配置 FPGA 求解器使用的仿真時間步長，時間步長降至 200 ns。

專用 DC-DC 轉(zhuǎn)換器求解器使用的求解器步驟，可在 25 ns 時模擬 DAB 或 LLC 模型。

模型的這兩部分交換直流電壓和電流。從用戶的角度來看，解算器被部署為單個組件 - DAB 或諧振轉(zhuǎn)換器，可適應(yīng)不同的拓?fù)渥凅w，

為了測試這個專用求解器的性能，使用外部控制器創(chuàng)建了一個實驗設(shè)置，以復(fù)制控制器時鐘與模擬器時基不同步的實際場景。該測試初是在 DAB 轉(zhuǎn)換器模型上進(jìn)行的，結(jié)果如圖 2 所示。觀察到功率傳輸作為輸出。實施了各種調(diào)制策略以覆蓋整個工作范圍內(nèi)的各種工作點，包括具有二極管電流過零事件的工作點。更詳細(xì)的數(shù)據(jù)可以參見Typhoon HIL發(fā)布的白皮書。結(jié)果表明，仿真對于高達(dá) 300 kHz 的開關(guān)頻率表現(xiàn)良好。

隨后，考慮串聯(lián)諧振頻率fr = 250 kHz ，測試了幾種 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器設(shè)計。開關(guān)頻率從 0.5 f r到 2 f r不等，輸出輸入電壓比用作基準(zhǔn)。并串聯(lián)電感比保持恒定 ( k = L p L s = 8 )。同時，特性阻抗( Z c = √(L s C )發(fā)生變化，導(dǎo)致Q因子值和電壓特性不同，如圖4所示。仿真數(shù)據(jù)表明，仿真在整體上表現(xiàn)良好。開關(guān)頻率范圍高達(dá) 500 kHz。

DC-DC轉(zhuǎn)換器求解器設(shè)計時除了高性能之外，還考慮了資源利用率。因此，在單個 HIL606 器件上多可以模擬 8 個轉(zhuǎn)換器。