优化电动汽车充电器控制：C-HIL技术与双有源桥实时仿真解决方案

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)，也被称为信号-HIL，已成为测试电力电子控制固件的一种替代方法，它提供了易用性、通过自动化实现的广泛测试覆盖率，以及与包含功率流的测试方法(如功率-HIL设置)相比相对较低的成本。

随着电动汽车的普及，固定充电器和车载充电器(OBC)在行业中受到越来越多的关注，这为未来电动出行带来了关键挑战。为了支持使用C-HIL开发和测试先进的电动汽车充电器控制，必须以高保真度实时模拟这些应用中典型的高开关频率电源转换器。本文概述了使这一切以准确、安全和成本效益的方式成为可能的挑战和关键解决方案。

电力电子的实时仿真

电力电子电路的实时仿真通常在基于FPGA的仿真器上执行。在设计这类基于FPGA的平台时，需要考虑三个关键方面：

开关模型复杂性：半导体开关模型可以以不同的保真度进行仿真，从用于硬件设计的高详细瞬态模型，到理想开关模型，甚至是用等效电源替代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，模拟所有感兴趣动态所需的时间步长也不同。对瞬态模型中寄生效应的高度详细仿真可能需要皮秒级的分辨率，而平均转换器模型可以以每个开关周期一个仿真步长进行仿真。

易用性：通过手动编码和优化所需转换器的方程在VHDL中可以实现最大性能。但是，修改这样的优化模型会非常耗时且具有挑战性。相比之下，更通用的仿真方法可能缺乏实现所需短时间步长的优化。

开发有效的HIL仿真器平台的主要挑战在于平衡这三者的需求。Typhoon HIL平台专门为了电力电子应用而设计，通过以下设计选择实现：

图形原理图编辑器：使用图形原理图编辑器设计电路。不生成VHDL代码，也不涉及综合、比特流生成等，而是使用可配置的FPGA求解器。模型通过单击编译过程加载到求解器中，通常在一分钟内完成。

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级的时间步长来模拟开关换相。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。使用不同的状态空间矩阵集来模拟对应于不同开关状态组合的电路。这意味着可以通过两个连续的时间步长和两个不同的矩阵集来模拟一个换相事件。理想开关模型还可以通过添加正向压降轻松增强。

GDS过采样：HIL仿真器数字输入的门驱动信号(GDS)以比仿真时间步长更快的速度采样。由于控制器时钟与模拟器未同步，门控信号的边缘发生在仿真时间步长的持续时间内。该边缘(换相事件)被时间戳，并将信息用于补偿接下来时间步的仿真结果，从而提高换相事件检测的分辨率。

图1

Typhoon HIL仿真器在各种电力电子应用中成功应用超过十年，最新一代能够以低至200 ns的时间步长和3.5 ns的DI采样分辨率模拟电路。

DC-DC转换器仿真

一个典型的电动汽车充电器由输入功率因数校正(PFC)阶段和隔离的DC-DC阶段组成，后者通常采用双有源桥(DAB)或谐振(LLC, CLLLC)转换器拓扑结构。实时模拟这些DC-DC拓扑结构尤其具有挑战性，原因包括：

高开关频率：通常使用高开关频率以减少高频变压器的体积和重量，这在车载充电器应用中尤为重要，因为存在体积和重量限制。如今，超过100 kHz的开关频率已成为常态，通常采用宽带隙半导体实现。

在开关频率下的功率传输：在并网转换器和电动驱动应用中，主要功率传输发生在低于开关频率一个数量级的频率下。对于具有高频变压器的转换器(如DAB和LLC转换器)，功率传输发生在开关频率下。这意味着即使是小的时间分辨率损失也会直接影响功率传输，从而影响模型的保真度，进而影响控制器的操作。

有趣的是，DAB和LLC拓扑的时间分辨率损失的主要来源既不是仿真时间步长，也不是数字输入采样分辨率。而是来自于检测二极管电流零交叉，因为这种类型的换相事件通常在实时应用中的时间步长分辨率下进行检测。通过以100 kHz开关的DAB转换器运行，并故意将仿真时间步长设置为相对较长的500 ns，可以说明这一点。如图1所示，仿真结果在大多数工作点上与参考功率传输曲线很好地对齐。然而，在某些点上，存在显著偏离参考的情况。这些是绕组电流在死区时间内交叉零的工作点。

通过与工业合作伙伴的协作研究，Typhoon HIL总结道，DAB和LLC模型在200 ns及更低的时间步长下仍然不能提供足够的保真度进行HIL测试。为了改善这些模型中二极管电流零交叉的检测，开发了一种专门的求解器。

DC-DC转换器求解器

DC-DC转换器求解器是一个优化的FPGA模块，能够以25 ns的时间步长模拟DAB和LLC系列转换器。这使得多速率仿真成为可能，拥有两个仿真速率：

· 由可配置FPGA求解器使用的仿真时间步长，时间步长可降至200 ns。

· 由专门的DC-DC转换器求解器使用的求解步长，该求解器以25 ns模拟DAB或LLC模型。

这两个模型部分交换直流电压和电流。从用户的角度来看，求解器作为一个单一组件(DAB或谐振转换器)进行部署，可以适应不同的拓扑变种，如CLLLC。这确保了易用性，同时显著提高了仿真保真度(见图2)。

图2

为了测试该专门求解器的性能，创建了一个实验设置，使用外部控制器再现控制器时钟与仿真器时间基准不同步的现实场景。最初在DAB转换器模型上进行了测试，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，以覆盖整个操作范围内的各种工作点，包括具有二极管电流零交叉事件的工作点。更多详细数据可以在Typhoon HIL发布的白皮书中找到。结果表明，仿真在高达300 kHz的开关频率下表现良好。

图3

随后，测试了几种LLC谐振转换器设计，考虑系列谐振频率fr = 250 kHz。将开关频率从0.5 fr变化到2 fr，并使用输出与输入电压比作为基准。保持并联与串联电感比恒定(k = Lp / Ls = 8)。同时，变化特征阻抗(Zc= √(Ls / C)，导致不同的Q因子值和电压特性，如图4所示。仿真数据表明，在最高达500 kHz的开关频率范围内，仿真表现良好。

图4

除了高性能外，设计DC-DC转换器求解器时还考虑了资源利用率。因此，最多可在单个HIL606设备上模拟8个转换器。

结论

准确的快速切换DAB和谐振拓扑的实时仿真在实践中被证明是一个具有挑战性的任务。Typhoon HIL提供的优化求解器方法，通过在广泛的典型应用中提供高仿真保真度，同时保持离线仿真平台的易用性，解决了这些挑战。