突破200 kHz：电力电子硬件在环(HIL)测试的创新解决方案

“万物电气化”影响着社会和工业的各个领域。为了实现可持续性发展的经济转型，需要低成本且高效的电力电子技术来满足各种应用需求。这不仅要求为每个特定应用开发拓扑结构，还需要高效率的新型半导体技术，例如基于碳化硅(SiC)或氮化镓(GaN)的器件。

 

电动化是能源转型的关键支柱之一。在此领域，除了成本外，转换器的尺寸、重量和功率(例如用于电池充电)也至关重要。为此，上述的SiC和GaN半导体尤为重要，因为它们支持极高的开关频率，从而提高转换器的功率密度。

 

测试电力电子控制单元

 

由于支持单相和三相电网充电的灵活性，车载充电器(OBC)通常采用图腾柱配置的功率因数校正(PFC)级和用于提供额外电气隔离的谐振(例如CLLC)转换器。图1展示了这种OBC的示意图。

图1

 

可以通过离线仿真来为此类转换器设计合适的控制器。然而，硬件在环(HIL)仿真是控制单元最终验证和确认的最先进方法。由于这些测试是在电气信号级别进行的，不涉及功率级，因此不存在高电压或电流，并且可以无风险地测试和重现短路等故障行为。

 

为此，需要具备实时能力的电力电子转换器仿真模型。为了模拟准连续行为，这些模型的速度必须至少比控制半导体的PWM频率快二十倍。这意味着要支持500 kHz的频率，必须实现最大模型步长为100 ns，即需要基于FPGA的仿真模型来考虑快速结构变化。

 

基于FPGA的即用型拓扑

 

为各个拓扑结构使用特定的实时仿真模型是有优势的，因为它们能够在合理的FPGA资源消耗下满足严格的性能要求。dSPACE XSG电力电子系统(PES)库中现已提供一些即用型模型，例如图腾柱PFC整流器、两电平逆变器、双向DC/DC转换器和谐振转换器。除了可配置模型轻松集成到FPGA应用中，库模型还提供高仿真精度、运行时参数化以及半导体或组件故障的模拟。

 

这些模型基于理想开关模型方法，确保高度精确的仿真结果。通过评估栅极信号以及开关器件上的电压和电流，考虑了不同半导体类型(如SiC或GaN MOSFET和二极管)的行为。为此，使用所有可能的开关组合的状态空间表示来描述动态特性。通过并行更新并随后执行开关状态检测，实现了所需的短步长。

图2

 

此外，可配置接口使得多个拓扑模型的耦合变得容易，如图2所示。整流器的测量输出电压vBus用作DC/DC转换器的输入，而DC/DC转换器汲取的电流iBus则作为整流器的负载电流输入。这样，不仅可以组合不同拓扑的模型，还可以轻松实现多相拓扑，例如具有多个交错控制相的降压/升压转换器。

 

车载充电器控制器的实时测试

 

英飞凌的AURIX TC3xx提供了强大的实时性能，以确保在主要工作范围内的高效率。此外，AURIX TC4x提供了高性能解决方案，覆盖整个工作范围。本文中，AURIX TC4x用于展示车载充电器的最高控制性能，如图1所示。为了集成到HIL环境中，需要建立物理连接以从控制单元读取半导体的触发信号，并从HIL I/O发送回所需的电流和电压的模拟测量值。

 

图3展示了这一结构。XSG PES库中基于FPGA的PFC整流器和DC/DC转换器仿真模型还包括在HIL系统实时处理器上实现的接口模型。通过这些接口，FPGA模型可以进行参数化，例如在仿真运行时更改离散化方法或更新设备参数。

 

FPGA上还实现了示波器等附加工具，允许可视化模拟的电流和电压测量值或通过HIL系统的数字I/O通道捕获的栅极信号。

 

执行HIL测试时，紧凑的现成HIL系统已经足够。本文使用了配备DS6001处理器板、DS6602 FPGA基础板和DS6651多I/O模块的SCALEXIO LabBox。

图3

 

图4展示了使用ControlDesk实验软件捕获的三相50 Hz电网连接的闭环操作结果。PFC级以100 kHz的恒定开关频率控制，CLLC转换器则以200 kHz范围内的可变频率控制。

 

电网电压和电流完全同相，表明PFC操作正常。PFC控制器调整出800 V的恒定直流链路电压。首先，电池以7 A的恒定电流充电。当请求的电池电流增加到10 A时，可以观察到直流链路电流和三相电流的增加。

图4

 

下一步是什么?

 

电力电子控制单元的硬件在环测试需要精确且快速的电路仿真模型。特别是在汽车应用中，宽带隙(WBG)器件能够以极高的开关频率实现高能量密度。

为了支持更多应用，将不断加入新的转换器拓扑模型，如双有源桥、相移全桥和(CL)LLC转换器，以扩展库。

 

此外，新的建模方法将集成到即将发布的版本中。多模型平均(MMA)方法能够以FPGA时钟的时间分辨率考虑栅极信号。通过这种方法，可以充分利用WBG器件在MHz范围内的开关频率潜力。与其他方法相比，MMA具有在不影响仿真步长的情况下实现高PWM分辨率的显著优势。因此，二极管等无源器件的开关事件也能在最短时间内得到考虑。