交通电气化正在改变车辆的设计、测试和制造方式。控制器硬件在环 (C-HIL)，也称为信号 HIL，已成为测试电力电子控制固件的替代方法，它易于使用，通过自动化实现广泛的测试覆盖范围，并且成本相对较低。包括功率流的测试方法，例如功率 HIL 设置。
　　随着电动汽车的普及加速，固定式充电器和车载充电器 (OBC) 越来越受到业界的关注，这对电动汽车的未来提出了至关重要的挑战。为了支持使用 C-HIL 开发和测试电动汽车充电器控制，必须对这些应用中典型的高开关频率电源转换器进行高保真度实时仿真。本文概述了以准确、安全和经济高效的方式实现这一目标的挑战和关键解决方案。
　　我使用的是博多动力系统 [PDF]
　　电力电子实时仿真
　　电力电子电路的实时仿真通常在基于 FPGA 的仿真器上执行。设计此类基于 FPGA 的平台时，请考虑三个关键方面：
　　开关模型复杂性：半导体开关模型可以以各种保真度进行仿真，范围从用于硬件设计的高度详细的瞬态模型到理想的开关模型，甚至用等效源替换开关的平均转换器模型。
　　可实现的时间步长：根据开关模型的复杂性，需要不同的时间步长才能正确模拟所有感兴趣的动态。对瞬态模型中的寄生效应进行高度详细的仿真可能需要皮秒分辨率，而平均转换器模型可以在每个开关周期使用一个仿真步骤进行仿真。
　　易于使用：通过在 VHDL 中手动编码和优化所需转换器的方程，可以实现性能。然而，修改这样的优化模型将非常耗时且具有挑战性。相反，更通用的模拟方法可能缺乏实现所需的短时间步长所需的优化。
　　开发有效的 HIL 模拟器平台的主要挑战是平衡这三个要求。 Typhoon HIL 平台通过以下设计选择专门针对电力电子应用而设计：
　　图形原理图编辑器：图形原理图编辑器用于设计电路。使用可配置的 FPGA 求解器来代替生成 VHDL 代码以及综合、比特流生成等。该模型通过单击编译过程加载到求解器，通常需要不到一分钟的时间。
　　理想开关模型：与高度详细的开关模型不同，理想开关模型不需要亚纳秒时间步长来模拟开关换向。然而，它仍然能够以高保真度模拟电力电子转换器，以进行控制设计和测试。使用不同组的状态空间矩阵来模拟不同开关状态组合对应的电路。这意味着可以通过具有两个不同矩阵集的两个连续时间步来模拟切换事件。通过添加正向压降可以轻松增强理想开关模型。
　　GDS 过采样： HIL 模拟器数字输入处的 栅极驱动信号(GDS) 的采样速度快于模拟时间步长。由于控制器时钟与模拟器不同步，因此选通信号的边沿出现在模拟时间步长的持续时间内。该边缘（切换事件）带有时间戳，该信息用于补偿即将到来的时间步中的模拟结果，从而提高切换事件检测的分辨率。
　　Typhoon HIL 模拟器十多年来已成功应用于各种电力电子应用，一代能够以低至 200 ns 的时间步长和 3.5 ns 的 DI 采样分辨率来模拟电路。
　　DC-DC 转换器仿真
　　典型的电动汽车充电器由输入功率因数校正 (PFC) 级和隔离式 DC-DC 级组成，后者通常使用双有源电桥 (DAB) 或谐振（LLC、CLLLC）转换器拓扑构建。由于以下原因，这些 DC-DC 拓扑的实时仿真要求特别高：
　　高开关频率：这些通常用于减小高频变压器的尺寸和重量，由于体积和重量的限制，这在 OBC 应用中尤其重要。如今，超过 100 kHz 的开关频率很常见，通常使用宽带隙半导体来实现。
　　开关频率下的功率传输：在并网转换器和电力驱动应用中，主功率传输发生的频率至少比开关频率低一个数量级。对于具有高频变压器的转换器（例如 DAB 和 LLC 转换器），功率传输以开关频率进行。这意味着即使时间分辨率有很小的损失也会直接影响功率传输，从而影响模型保真度，进而影响控制器的运行。
　　有趣的是，DAB 和 LLC 拓扑时间分辨率损失的主要来源既不是模拟时间步长，也不是数字输入采样分辨率。相反，它源于检测二极管电流过零，因为这种类型的开关事件通常是在实时应用中以时间步分辨率检测的。这可以通过以 100 kHz 的频率运行 DAB 转换器开关（死区时间为 2%）来说明，并且仿真时间步长有意设置为相对较长的 500 ns。如图 1 所示，仿真结果在大多数工作点与参考功率传输曲线非常吻合。然而，在某些点上，与参考值存在显着偏差。这些是死区时间内绕组电流过零的工作点。
　　通过与工业合作伙伴的合作调查，Typhoon HIL 得出结论，以低至 200 ns 的时间步运行的 DAB 和 LLC 模型仍然无法为 HIL 测试提供足够的保真度。为了改进这些模型中的二极管电流过零检测，开发了专用求解器。
　　DC-DC 转换器求解器
　　DC-DC 转换器求解器是一款优化的 FPGA 模块，能够以 25 ns 时间步长模拟 DAB 和 LLC 系列转换器。这可以实现具有两种模拟速率的多速率模拟：
　　可配置 FPGA 求解器使用的仿真时间步长，时间步长降至 200 ns。
　　专用 DC-DC 转换器求解器使用的求解器步骤，可在 25 ns 时模拟 DAB 或 LLC 模型。

　　模型的这两部分交换直流电压和电流。从用户的角度来看，解算器被部署为单个组件 - DAB 或谐振转换器，可适应不同的拓扑变体，例如 CLLLC。这确保了易用性，同时显着提高了模拟保真度（图 2）。

　　图 2. 原理图编辑器中的双有源电桥和谐振转换器组件。图片由博多电力系统提供
　　为了测试这个专用求解器的性能，使用外部控制器创建了一个实验设置，以复制控制器时钟与模拟器时基不同步的实际场景。该测试初是在 DAB 转换器模型上进行的，结果如图 2 所示。观察到功率传输作为输出。实施了各种调制策略以覆盖整个工作范围内的各种工作点，包括具有二极管电流过零事件的工作点。更详细的数据可以参见Typhoon HIL发布的白皮书。结果表明，仿真对于高达 300 kHz 的开关频率表现良好。
　　随后，考虑串联谐振频率fr = 250 kHz ，测试了几种 LLC 谐振转换器设计。开关频率从 0.5 f r到 2 f r不等，输出输入电压比用作基准。并串联电感比保持恒定 ( k = L p L s = 8 )。同时，特性阻抗( Z c = √(L s  C )发生变化，导致Q因子值和电压特性不同，如图4所示。仿真数据表明，仿真在整体上表现良好。开关频率范围高达 500 kHz。
　　DC-DC转换器求解器设计时除了高性能之外，还考虑了资源利用率。因此，在单个 HIL606 器件上多可以模拟 8 个转换器。