“萬物電氣化”影響著社會和工業(yè)的各個領(lǐng)域。為了實現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展的經(jīng)濟轉(zhuǎn)型，需要低成本且高效的電力電子技術(shù)來滿足各種應(yīng)用需求。這不僅要求為每個特定應(yīng)用開發(fā)拓撲結(jié)構(gòu)，還需要高效率的新型半導體技術(shù)，例如基于碳化硅(SiC)或氮化鎵(GaN)的器件。

電動化是能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵支柱之一。在此領(lǐng)域，除了成本外，轉(zhuǎn)換器的尺寸、重量和功率(例如用于電池充電)也至關(guān)重要。為此，上述的SiC和GaN半導體尤為重要，因為它們支持極高的開關(guān)頻率，從而提高轉(zhuǎn)換器的功率密度。

測試電力電子控制單元

由于支持單相和三相電網(wǎng)充電的靈活性，車載充電器(OBC)通常采用圖騰柱配置的功率因數(shù)校正(PFC)級和用于提供額外電氣隔離的諧振(例如CLLC)轉(zhuǎn)換器。圖1展示了這種OBC的示意圖。

可以通過離線仿真來為此類轉(zhuǎn)換器設(shè)計合適的控制器。然而，硬件在環(huán)(HIL)仿真是控制單元最終驗證和確認的最先進方法。由于這些測試是在電氣信號級別進行的，不涉及功率級，因此不存在高電壓或電流，并且可以無風險地測試和重現(xiàn)短路等故障行為。

為此，需要具備實時能力的電力電子轉(zhuǎn)換器仿真模型。為了模擬準連續(xù)行為，這些模型的速度必須至少比控制半導體的PWM頻率快二十倍。這意味著要支持500 kHz的頻率，必須實現(xiàn)最大模型步長為100 ns，即需要基于FPGA的仿真模型來考慮快速結(jié)構(gòu)變化。

基于FPGA的即用型拓撲

為各個拓撲結(jié)構(gòu)使用特定的實時仿真模型是有優(yōu)勢的，因為它們能夠在合理的FPGA資源消耗下滿足嚴格的性能要求。dSPACE XSG電力電子系統(tǒng)(PES)庫中現(xiàn)已提供一些即用型模型，例如圖騰柱PFC整流器、兩電平逆變器、雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器和諧振轉(zhuǎn)換器。除了可配置模型輕松集成到FPGA應(yīng)用中，庫模型還提供高仿真精度、運行時參數(shù)化以及半導體或組件故障的模擬。

這些模型基于理想開關(guān)模型方法，確保高度精確的仿真結(jié)果。通過評估柵極信號以及開關(guān)器件上的電壓和電流，考慮了不同半導體類型(如SiC或GaN MOSFET和二極管)的行為。為此，使用所有可能的開關(guān)組合的狀態(tài)空間表示來描述動態(tài)特性。通過并行更新并隨后執(zhí)行開關(guān)狀態(tài)檢測，實現(xiàn)了所需的短步長。

此外，可配置接口使得多個拓撲模型的耦合變得容易，如圖2所示。整流器的測量輸出電壓vBus用作DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入，而DC/DC轉(zhuǎn)換器汲取的電流iBus則作為整流器的負載電流輸入。這樣，不僅可以組合不同拓撲的模型，還可以輕松實現(xiàn)多相拓撲，例如具有多個交錯控制相的降壓/升壓轉(zhuǎn)換器。

車載充電器控制器的實時測試

英飛凌的AURIX TC3xx提供了強大的實時性能，以確保在主要工作范圍內(nèi)的高效率。此外，AURIX TC4x提供了高性能解決方案，覆蓋整個工作范圍。本文中，AURIX TC4x用于展示車載充電器的最高控制性能，如圖1所示。為了集成到HIL環(huán)境中，需要建立物理連接以從控制單元讀取半導體的觸發(fā)信號，并從HIL I/O發(fā)送回所需的電流和電壓的模擬測量值。

圖3展示了這一結(jié)構(gòu)。XSG PES庫中基于FPGA的PFC整流器和DC/DC轉(zhuǎn)換器仿真模型還包括在HIL系統(tǒng)實時處理器上實現(xiàn)的接口模型。通過這些接口，F(xiàn)PGA模型可以進行參數(shù)化，例如在仿真運行時更改離散化方法或更新設(shè)備參數(shù)。

FPGA上還實現(xiàn)了示波器等附加工具，允許可視化模擬的電流和電壓測量值或通過HIL系統(tǒng)的數(shù)字I/O通道捕獲的柵極信號。

執(zhí)行HIL測試時，緊湊的現(xiàn)成HIL系統(tǒng)已經(jīng)足夠。本文使用了配備DS6001處理器板、DS6602 FPGA基礎(chǔ)板和DS6651多I/O模塊的SCALEXIO LabBox。

圖4展示了使用ControlDesk實驗軟件捕獲的三相50 Hz電網(wǎng)連接的閉環(huán)操作結(jié)果。PFC級以100 kHz的恒定開關(guān)頻率控制，CLLC轉(zhuǎn)換器則以200 kHz范圍內(nèi)的可變頻率控制。

電網(wǎng)電壓和電流完全同相，表明PFC操作正常。PFC控制器調(diào)整出800 V的恒定直流鏈路電壓。首先，電池以7 A的恒定電流充電。當請求的電池電流增加到10 A時，可以觀察到直流鏈路電流和三相電流的增加。

下一步是什么?

電力電子控制單元的硬件在環(huán)測試需要精確且快速的電路仿真模型。特別是在汽車應(yīng)用中，寬帶隙(WBG)器件能夠以極高的開關(guān)頻率實現(xiàn)高能量密度。

為了支持更多應(yīng)用，將不斷加入新的轉(zhuǎn)換器拓撲模型，如雙有源橋、相移全橋和(CL)LLC轉(zhuǎn)換器，以擴展庫。

此外，新的建模方法將集成到即將發(fā)布的版本中。多模型平均(MMA)方法能夠以FPGA時鐘的時間分辨率考慮柵極信號。通過這種方法，可以充分利用WBG器件在MHz范圍內(nèi)的開關(guān)頻率潛力。與其他方法相比，MMA具有在不影響仿真步長的情況下實現(xiàn)高PWM分辨率的顯著優(yōu)勢。因此，二極管等無源器件的開關(guān)事件也能在最短時間內(nèi)得到考慮。