實(shí)時(shí)電源電路的模擬通常在基于FPGA的模擬器上執(zhí)行。設(shè)計(jì)此類基于FPGA的平臺(tái)時(shí)，請(qǐng)考慮三個(gè)關(guān)鍵方面：
　　開關(guān)模型的復(fù)雜性：可以使用各種級(jí)別的保真度來模擬半導(dǎo)體開關(guān)模型，從用于硬件設(shè)計(jì)的高度詳細(xì)的瞬態(tài)模型到理想的開關(guān)模型，甚至是平均轉(zhuǎn)換器模型，這些模型替換了等效源。
　　可實(shí)現(xiàn)的時(shí)間步驟：根據(jù)開關(guān)模型的復(fù)雜性，需要不同的時(shí)間步驟才能正確模擬所有感興趣的動(dòng)態(tài)。在瞬態(tài)模型中對(duì)寄生效應(yīng)的高度詳細(xì)模擬可能需要平行分辨率，而平均轉(zhuǎn)換器模型可以通過每個(gè)切換周期進(jìn)行一個(gè)模擬步驟模擬。
　　易用性：可以通過手動(dòng)編碼和優(yōu)化VHDL中所需轉(zhuǎn)換器的方程來實(shí)現(xiàn)性能。但是，修改這種優(yōu)化的模型將非常耗時(shí)且具有挑戰(zhàn)性。相反，更廣泛的仿真方法可能缺乏實(shí)現(xiàn)所需短期步驟所需的優(yōu)化。
　　開發(fā)有效的HIL模擬器平臺(tái)的主要挑戰(zhàn)是平衡這三個(gè)要求。臺(tái)風(fēng)HIL平臺(tái)是專門為電力電子應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，該設(shè)計(jì)通過以下設(shè)計(jì)選擇：
　　圖形示意圖編輯器：圖形示意圖編輯器用于設(shè)計(jì)電路。使用可配置的FPGA求解器，而不是生成VHDL代碼，以及合成，Bitstream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。
　　理想的開關(guān)模型：與高度詳細(xì)的開關(guān)模型不同，理想的開關(guān)模型不需要次納秒時(shí)間步驟來模擬開關(guān)換向。但是，它仍然能夠模擬具有高保真度以控制設(shè)計(jì)和測試的電力電子轉(zhuǎn)換器。不同的狀態(tài)空間矩陣用于模擬與開關(guān)狀態(tài)不同組合相對(duì)應(yīng)的電路。這意味著可以通過兩個(gè)連續(xù)的時(shí)間步長模擬開關(guān)事件，并使用兩個(gè)不同的矩陣集。通過添加正向電壓下降，可以輕松增強(qiáng)理想的開關(guān)模型。
　　GDS Overplempling： HIL模擬器數(shù)字輸入處的 登機(jī)駕駛信號(hào)（GDS）的采樣速度快于模擬時(shí)間步驟。由于控制器時(shí)鐘與模擬器沒有同步，因此門控信號(hào)的邊緣發(fā)生在模擬時(shí)間步長的持續(xù)時(shí)間內(nèi)。此邊緣（切換事件）是時(shí)間戳，并使用信息來補(bǔ)償即將到來的時(shí)間步驟中的仿真結(jié)果，從而增加了切換事件檢測的分辨率。
　　十多年來，臺(tái)風(fēng)HIL模擬器已成功地應(yīng)用于各種電力電子應(yīng)用中，一代能夠以低至200 ns的時(shí)間步長模擬電路，而DI采樣分辨率為3.5 ns。
　　DC-DC轉(zhuǎn)換器仿真
　　典型的EV充電器由輸入功率因數(shù)校正（PFC）階段和一個(gè)孤立的DC-DC階段組成，后者通常使用雙活動(dòng)橋（DAB）或resonant（LLC，CLLLC）轉(zhuǎn)換器拓?fù)錁?gòu)建。這些DC-DC拓?fù)涞膶?shí)時(shí)模擬尤其要求：
　　高開關(guān)頻率：這些通常用于減少高頻變壓器的大小和重量，這在OBC應(yīng)用中尤為重要，這是由于體積和重量限制。如今，通常使用寬帶gap半導(dǎo)體可實(shí)現(xiàn)的開關(guān)頻率超過100 kHz是常見的。
　　開關(guān)頻率的功率傳輸：在網(wǎng)格綁定的轉(zhuǎn)換器和電動(dòng)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，主要功率傳輸以頻率至少比開關(guān)頻率低的數(shù)量級(jí)。對(duì)于具有高頻變壓器（例如DAB和LLC轉(zhuǎn)換器）的轉(zhuǎn)換器，電源傳輸在開關(guān)頻率下發(fā)生。這意味著即使是小時(shí)分辨率的損失也會(huì)直接影響電力傳輸，從而影響模型的保真度，并因此而影響控制器操作。

　　有趣的是，DAB和LLC拓?fù)涞臅r(shí)間分辨率損失的主要來源既不是仿真時(shí)間步，也不是數(shù)字輸入采樣分辨率。取而代之的是，它源于檢測二極管電流零交叉，因?yàn)橥ǔＴ趯?shí)時(shí)應(yīng)用程序中的時(shí)間步長分辨率下檢測到這種類型的切換事件。通過運(yùn)行DAB轉(zhuǎn)換器以100 kHz的速度切換為2％，仿真時(shí)間步驟有意將其設(shè)置為相對(duì)較長的500 ns，從而說明了這一點(diǎn)。如圖1所示，在大多數(shù)工作點(diǎn)，模擬結(jié)果與參考功率傳遞曲線很好地對(duì)齊。但是，在某些時(shí)候，參考文獻(xiàn)有很大的偏差。這些是纏繞電流在死亡時(shí)間內(nèi)交叉零的操作點(diǎn)。

　　圖1。DAB 模擬 - 100 kHz開關(guān)頻率，500 ns時(shí)間步長。圖像由Bodo的Power Systems  [PDF]提供
　　通過與工業(yè)合作伙伴的合作調(diào)查，臺(tái)風(fēng)HIL得出結(jié)論，DAB和LLC模型以低至200 ns的時(shí)間步驟運(yùn)行的模型并不能為HIL測試提供足夠的忠誠度。為了改善這些模型中的二極管電流零越交檢測，已經(jīng)開發(fā)了一個(gè)專門的求解器。
　　DC-DC轉(zhuǎn)換器求解器
　　DC-DC轉(zhuǎn)換器求解器是一個(gè)優(yōu)化的FPGA模塊，能夠在25 ns的時(shí)間步長以模擬DAB和LLC轉(zhuǎn)換器家族。這實(shí)現(xiàn)了具有兩個(gè)模擬速率的多速率模擬：
　　可配置的FPGA求解器使用的仿真時(shí)間步驟，時(shí)間降至200 ns。
　　專用DC-DC轉(zhuǎn)換器求解器使用的求解器步驟，該求解器在25 ns下模擬DAB或LLC模型。

　　模型的這兩個(gè)部分交換了直流電壓和電流。從用戶的角度來看，求解器被部署為單個(gè)組件 - DAB或諧振轉(zhuǎn)換器，可以適用于不同的拓?fù)渥凅w，例如CLLLC。這樣可以確保易于使用，同時(shí)顯著改善了模擬保真度（圖2）。

　　圖2。 示意圖編輯器中的雙活動(dòng)橋和諧振轉(zhuǎn)換器組件。圖像由Bodo的Power Systems  [PDF]提供

　　為了測試該求解器的性能，使用外部控制器創(chuàng)建了一個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)置，以復(fù)制一個(gè)現(xiàn)實(shí)的方案，其中控制器時(shí)鐘與模擬器的時(shí)間表不同步。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。電源傳遞被視為輸出。實(shí)施了各種調(diào)制策略，以涵蓋整個(gè)操作范圍內(nèi)的各個(gè)操作點(diǎn)，包括帶有二極管當(dāng)前零交叉事件的操作點(diǎn)。更詳細(xì)的數(shù)據(jù)可以在臺(tái)風(fēng)HIL發(fā)布的白皮書中找到。結(jié)果表明，該模擬對(duì)于切換頻率300 kHz的性能很好。

　　圖3。 雙活動(dòng)橋模擬結(jié)果。圖像由Bodo的Power Systems  [PDF]提供
　　隨后，考慮了一個(gè)串聯(lián)諧振頻率f r = 250 kHz ，測試了幾種LLC共振轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)。開關(guān)頻率從0.5 f R，2 f r變化，輸出輸入電壓比用作基準(zhǔn)。并行電感比保持恒定（K = L P  l s = 8）。同時(shí)，特征阻抗（z c =√（l s c）變化，導(dǎo)致不同的q因子值和電壓特性，如圖4所示。仿真數(shù)據(jù)表明，模擬在完整的狀態(tài)下表現(xiàn)良好開關(guān)頻率范圍高達(dá)500 kHz。

　　除高性能外，設(shè)計(jì)DC-DC轉(zhuǎn)換器求解器時(shí)還考慮了資源利用。結(jié)果，可以在單個(gè)HIL606設(shè)備上模擬多達(dá)8個(gè)轉(zhuǎn)換器。

　　圖4。LLC 轉(zhuǎn)換器的電壓增益曲線。圖像由Bodo的Power Systems  [PDF]提供
　　要點(diǎn)
　　事實(shí)證明，快速開關(guān)DAB和共振拓?fù)涞臏?zhǔn)確實(shí)時(shí)模擬在實(shí)踐中是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。臺(tái)風(fēng)HIL提出的優(yōu)化求解器方法通過在廣泛的典型應(yīng)用中提供高模擬保真度，同時(shí)保持典型的離線模擬平臺(tái)的易用性，從而解決了這些挑戰(zhàn)。自2022年以來，基于DC-DC求解器的模型已成功用于開發(fā)和測試充電應(yīng)用程序中的控件。除了本文提供的結(jié)果外，還可以根據(jù)要求提供更多數(shù)據(jù)，包括基于指定的基準(zhǔn)測試一組參數(shù)。