在新電力電子應(yīng)用的整個開發(fā)過程中，仿真在許多方面為開發(fā)人員提供幫助。開發(fā)過程通常包括功能概念、組件選擇、機械設(shè)計、控制器實現(xiàn)以及最終在正常和故障條件下的測試和驗證。

理想情況下，開發(fā)過程參考熟悉的 V 模型（圖 1），其中設(shè)計和實現(xiàn)遵循自上而下的方法，驗證遵循自下而上的方法。在每個級別，開發(fā)的組件在被集成到更大的系統(tǒng)之前，都會使用適當(dāng)?shù)臏y試工具和程序進行驗證。

圖 1：電力電子系統(tǒng)開發(fā)過程的 V 模型

對于驗證，重要的是使用與設(shè)計相同的規(guī)范。盡管設(shè)計和驗證工具可能使用具有不同細節(jié)級別的模型，但確保模型產(chǎn)生可比較的結(jié)果很重要。本文解釋了為什么單個模型不足以滿足所有應(yīng)用程序，以及如何確保多個模型盡管實現(xiàn)和用例不同，但仍能提供一致的結(jié)果。

電路概念

在新設(shè)計的第一階段，可以使用理想的電路組件和通用控制塊快速評估特定電源電路的可行性和適當(dāng)?shù)目刂品桨浮Ｔ谶@個概念階段，不需要制造商特定的信息來對電源轉(zhuǎn)換器的各個組件進行建模。相反，功率半導(dǎo)體（例如 MOSFET 和二極管）由與其功能行為相對應(yīng)的簡單開/關(guān)開關(guān)表示。無源元件的寄生特性，如繞組電阻和電感飽和，可以忽略不計，除非它們對電路運行起到功能作用。

同樣，控件由功能框圖或狀態(tài)機表示，與它們的最終實現(xiàn)無關(guān)。這些控制稍后可以實現(xiàn)為模擬電路、數(shù)字邏輯、微控制器代碼或硬件 PWM 發(fā)生器。

概念階段使用的仿真軟件必須為電力電子應(yīng)用中遇到的所有類型的電氣元件提供通用模型。由于功率半導(dǎo)體通常在開關(guān)模式下運行，因此應(yīng)將它們建模為理想的開關(guān)，以降低仿真模型的復(fù)雜性。用戶必須能夠自由連接任意組件并通過子系統(tǒng)創(chuàng)建自己的定制組件。

在概念階段，系統(tǒng)模型的復(fù)雜性和規(guī)模會增加。為了獲得沒有明顯積分誤差的快速瞬態(tài)仿真，強烈建議使用可變時間步長求解器。可變步長求解器以不超過最大積分誤差的方式自動控制時間步長，并且準(zhǔn)確地命中切換瞬間和其他不連續(xù)事件。

仿真軟件PLECS從一開始就設(shè)計用于電力電子系統(tǒng)的仿真。一個顯著特點是它能夠?qū)⒐β拾雽?dǎo)體建模為真正的理想開關(guān)，這允許對大型電路進行快速而穩(wěn)健的仿真，而無需調(diào)整求解器設(shè)置。

元件選擇

根據(jù)電路設(shè)計確定的電流和電壓要求，選擇具有特定零件編號的合適組件并創(chuàng)建機械布局。在第二階段，模擬有助于預(yù)測熱損失和由此產(chǎn)生的溫度。在一個連續(xù)的工作流程中，熱模型為自己展示了一個放置在電路上的新層。熱域計算電路產(chǎn)生的損耗并模擬傳熱。

使用每個半導(dǎo)體的一組損耗表可以有效地模擬開關(guān)和傳導(dǎo)損耗。開關(guān)損耗表提供了取決于器件的阻斷電壓、導(dǎo)通電流和結(jié)溫的耗散能量。計算傳導(dǎo)損耗的表顯示了作為導(dǎo)通電流和器件溫度函數(shù)的電壓降。在每個模擬步驟中，計算熱損失并將其輸入到包含半導(dǎo)體器件、散熱器和外部冷卻裝置的熱等效網(wǎng)絡(luò)中。

使用損耗表在開關(guān)期間模擬電壓和電流瞬變的優(yōu)勢在于可以保持理想的開關(guān)并因此保持高模擬速度。熱域的計算只是為基于理想組件的電氣仿真增加了一些額外的工作。

與 PLECS 一起使用的功率半導(dǎo)體損耗表可以從越來越多的半導(dǎo)體制造商處獲得，例如 ABB、英飛凌和 Wolfspeed。

機械設(shè)計

下一階段進行的機械設(shè)計包括組件的放置、電氣布局、冷卻系統(tǒng)的設(shè)計以及與外殼的集成。

由于 CAD 程序和 PCB 布局軟件需要許多其他參數(shù)而不是用于系統(tǒng)仿真的參數(shù)，因此模型工具鏈通常會在此時中斷。在機械設(shè)計中，開發(fā)人員必須遵守系統(tǒng)仿真中使用的參數(shù)或在原始數(shù)據(jù)集中相應(yīng)地修改它們。

使用來自機械設(shè)計的空間布局信息，開發(fā)人員可以確定電氣仿真中寄生電感和 EMI 效應(yīng)的影響。這只有在使用準(zhǔn)確再現(xiàn)開關(guān)瞬態(tài)的詳細半導(dǎo)體模型時才有可能。由于這些模型的計算量非常大，它們只能在幾個開關(guān)周期內(nèi)進行仿真，因此不適用于系統(tǒng)仿真。

由于在使用空間信息和獲得詳細的半導(dǎo)體模型方面付出了巨大的努力，而且新見解的獲得有限，因此經(jīng)常省略這種低級模擬。

控制器實現(xiàn)

在電力電子應(yīng)用中，控制的開發(fā)通常比功率級的設(shè)計需要更多的努力，尤其是在使用微控制器的情況下。因此，控制器的開發(fā)應(yīng)在概念階段完成后立即開始，在實際電源硬件構(gòu)建之前。

在經(jīng)典方法中，經(jīng)驗豐富的軟件開發(fā)人員將根據(jù)控制工程師的規(guī)范為特定目標(biāo) MCU 實現(xiàn)控制代碼。但是，實現(xiàn)嵌入式控制代碼需要持續(xù)測試。這可以通過將控制代碼的摘錄編譯到以主機計算機而不是目標(biāo) MCU 為目標(biāo)的 DLL 中來簡化。大多數(shù)系統(tǒng)仿真軟件都可以包含 DLL，以便可以根據(jù)受控系統(tǒng)的模型驗證控制代碼。此外，PLECS 提供了將 C 代碼直接粘貼到 C 腳本塊的編輯器中的可能性。然后，此代碼會與模型一起自動編譯和執(zhí)行。

為了確保概念階段的實現(xiàn)控制代碼和功能框圖產(chǎn)生相同的結(jié)果，可在PLECS中使用可配置子系統(tǒng)，其中一個實現(xiàn)包含框圖，另一個包含代碼。模擬相同功能的多個實現(xiàn)并將結(jié)果疊加在 PLECS Scope 中是模型連續(xù)性的關(guān)鍵測試。

在 MCU 上實現(xiàn)控制的一種更現(xiàn)代的方法是從功能框圖中自動生成特定于目標(biāo)的 C 代碼。除了離線實現(xiàn)之外，每個塊都必須提供一種輸出具有實時能力的 C 代碼的方法。框圖通常包含通用信號處理塊以及目標(biāo) I/O 塊，以配置片上外設(shè)，例如 ADC 和 PWM 發(fā)生器。特別是對于初學(xué)者來說，自動編碼極大地加快了開發(fā)速度，因為通過程序代碼配置外圍設(shè)備是一項艱巨的任務(wù)，需要對 MCU 有深入的了解或深入研究手冊。在模型連續(xù)性方面，自動編碼的優(yōu)點是生成的代碼始終遵循框圖定義。然而，

如果未選擇目標(biāo) MCU 或帶有信號調(diào)節(jié)電子設(shè)備的整個控制板尚不可用，則 MCU 可以暫時替換為功能更強大的實時處理平臺，例如 PLECS RT Box。這種方法被稱為快速控制原型 （RCP），有助于快速獲得由功率級和控制器組成的工作設(shè)置。

在PLECS 中，通過從特定 MCU 或 RT Box 切換到通用目標(biāo)，可以在離線仿真中使用生成的代碼代替原始框圖。此功能允許通過覆蓋仿真結(jié)果快速驗證生成的代碼。

控制器測試

我們已經(jīng)看到了如何在離線仿真中通過將框圖替換為編譯后的代碼來根據(jù)框圖定義驗證手寫或自動生成的代碼。這種類型的驗證稱為軟件在環(huán) （SIL） 測試，由于不需要刷新 MCU，因此可以縮短周轉(zhuǎn)時間。但是，無法使用 SIL 驗證 MCU 外設(shè)的正確配置，也無法在目標(biāo) MCU 上檢測到時序問題、處理器利用率或資源損壞。

不僅要測試控制代碼，還要測試整個控制硬件，包括 MCU 外圍設(shè)備，通常都需要將實際功率級連接到控制器。然而，這通常是不切實際的，因為在最終調(diào)試之前功率級及其保護可能沒有得到充分開發(fā)，某些錯誤的操作條件甚至可能損壞功率級。

為了獨立于功率級測試控制硬件，控制器可以連接到模擬功率級行為的實時模擬器。這種方法被稱為硬件在環(huán) （HIL） 仿真，因為實際控制硬件是閉環(huán)仿真的一部分。用實時仿真代替功率級的優(yōu)點是可以在大量正常和故障條件下廣泛測試控制器的行為。

控制器 HIL 測試變得非常流行，因為信號級的連接在控制器和功率級之間提供了一個明確定義的接口，并且只需要很少的修改就可以用實時模擬器替換功率級。

電力電子設(shè)備 HIL 仿真面臨的挑戰(zhàn)是電路中普遍存在的小時間常數(shù)。只有較短的額外延遲是可以接受的，這是實時模擬器不可避免地引入的。捕獲 PWM 信號和向控制器提供模擬傳感器信號之間的計算延遲應(yīng)保持在最低限度，因為控制器仍應(yīng)像連接到實際功率級一樣工作。這不僅需要專用的實時硬件（例如 PLECS RT Box），還需要針對固定時間步長模擬中的快速準(zhǔn)確執(zhí)行進行優(yōu)化的轉(zhuǎn)換器模型。

實時模擬總是與前進的時間賽跑，因為每個時間步長的計算必須在離散化周期內(nèi)完成。在現(xiàn)代實時平臺上，可實現(xiàn)的最小時間步長約為幾微秒，可能取決于模型大小。即使使用完全在 FPGA 上計算的專用轉(zhuǎn)換器模型，時間步長也很難減少到 0.5 μs 以下。

當(dāng)今電源轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率大多在 10 到 100 kHz 之間。如果每個仿真步驟僅對 PWM 信號采樣一次，則捕獲的占空比的分辨率將是不夠的。為了更準(zhǔn)確地捕獲占空比，通常以大約 10 ns 的小得多的間隔對 PWM 信號進行采樣，并在一個模擬步驟上取平均值。平均值表示該步驟期間 PWM 信號的相對導(dǎo)通時間。

只有將平均 PWM 信號應(yīng)用于適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換器模型，才能準(zhǔn)確地表示半導(dǎo)體柵極信號。這些模型基于可控電壓和電流源，而不是理想的開/關(guān)開關(guān)（圖 2）。使用附加邏輯來模擬不連續(xù)導(dǎo)通模式和半導(dǎo)體消隱時間。由于仿真時間步長以及平均間隔通常遠小于一個 PWM 開關(guān)周期，因此在 PLECS 中，這種建模方法被稱為子周期平均。這種轉(zhuǎn)換器模型有時也稱為帶時間戳的橋。

圖 2：具有兩種不同實現(xiàn)方式的 IGBT 斬波器模型，用于離線和實時仿真

雖然子周期平均模型被推薦用于高保真實時應(yīng)用，但基于理想開關(guān)的轉(zhuǎn)換器模型在離線仿真中仍然是首選。由于子周期平均做出了某些假設(shè)和簡化，因此模擬結(jié)果可能并不總是完全匹配。此外，當(dāng)使用生成的 C 代碼進行固定時間步長模擬時，結(jié)果可能與連續(xù)時間模型略有不同。

在 HIL 測試期間驗證控制器時，使用在設(shè)計階段開發(fā)的相同電路模型很重要。然而，通用的離線模型通常不同于計算效率高的實時實現(xiàn)。為了解決這個困境，PLECS庫中各種類型的轉(zhuǎn)換器和逆變橋的電源模塊都配備了兩種實現(xiàn)方式。一種基于理想開關(guān)，另一種使用子周期平均。用戶可以輕松地在它們之間切換。為了確保即使在離散化時兩個實現(xiàn)的行為也相同，用戶應(yīng)該將生成的實時代碼的結(jié)果與離線仿真中的連續(xù)模型的結(jié)果進行比較，如圖 3 所示。這可以在上傳代碼之前完成到 RT 盒上。

圖 3：通過離線模擬驗證實時結(jié)果

PLECS RT 盒

HIL 測試的實時平臺傳統(tǒng)上分為基于多用途 CPU 的通用系統(tǒng)和用于在 FPGA 上進行并行計算的高度專業(yè)化系統(tǒng)。傳統(tǒng)的 CPU 通過 PCI Express 連接外圍設(shè)備，例如數(shù)字和模擬 I/O，PCI Express 是一種通信延遲至少為 10 μs 的串行總線協(xié)議。盡管它們的處理能力很高，但模擬時間步長因此被限制在大約。20 μs — 對于大多數(shù)電力電子應(yīng)用來說太多了。另一方面，基于 FPGA 的系統(tǒng)允許 1 μs 或更短的仿真時間步長，并且可以直接訪問外設(shè)。雖然 FPGA 是大規(guī)模并行計算的理想選擇，但在執(zhí)行順序代碼時表現(xiàn)不佳，限制了可能的應(yīng)用。

為了解決傳統(tǒng) CPU 和 FPGA 的缺點，RT Box 使用賽靈思的 Zynq 片上系統(tǒng) （SoC），在 FPGA 上集成了多個 ARM CPU 內(nèi)核。CPU 內(nèi)核與 FPGA 的緊密集成可實現(xiàn) 100 ns 的 I/O 延遲。CPU 內(nèi)核可以計算任何仿真模型，而 FPGA 用作流任務(wù)的協(xié)處理器。由于電力電子電路的典型仿真步長在 1 到 10 μs 之間，RT Box 彌補了傳統(tǒng) HIL 仿真器留下的性能差距。

RT Box 的真正優(yōu)勢在于它與PLECS 仿真軟件的端到端互操作性。只需按一下按鈕，PLECS 模型就會轉(zhuǎn)換為實時 C 代碼，編譯、上傳并在 RT Box 上啟動。使用外部模式，來自 RT Box 的實時仿真數(shù)據(jù)可以顯示在 PLECS Scopes 中，并與離線仿真的結(jié)果進行比較。

Plexim 目前正在擴展其RT Box產(chǎn)品組合。更新后的 RT Box 1 仍然是最具成本效益的電力電子 HIL 平臺，現(xiàn)在具有兩個 CAN 收發(fā)器。新的 RT Box 變體 2 和 3 正在部署 Xilinx 的下一代多處理 SoC。除了用于工業(yè)通信的額外連接外，RT Box 2 和 3 還具有磁旋轉(zhuǎn)變壓器接口。與 RT Box 2 相比，RT Box 3 的模擬和數(shù)字 I/O 數(shù)量是其兩倍。表 1 概述了新 RT Box 變體之間的主要區(qū)別。通過新硬件產(chǎn)品，Plexim 將擴大其作為 HIL 系統(tǒng)供應(yīng)商的地位，并為其客戶提供支持仿真模型連續(xù)性的更全面的解決方案。

表 1：新 RT Box 變體之間的比較

結(jié)論

在從設(shè)計到驗證的整個開發(fā)過程中對所有仿真使用相同的模型是一個在實踐中難以實現(xiàn)的理想目標(biāo)。系統(tǒng)或設(shè)備行為等不同方面可能需要各種仿真工具和模型，其詳細程度各不相同。因此，獲得一個類似于整個系統(tǒng)的單一“數(shù)字孿生”并使用這個孿生作為唯一的真實來源是虛幻的。

盡管如此，建立一個所有系統(tǒng)參數(shù)都存儲在一個中央位置并被所有模型引用的開發(fā)過程是完全現(xiàn)實的。這個中心位置可以是一個綜合數(shù)據(jù)庫或只是一個簡單的初始化腳本。某些參數(shù)將僅被某些模型用于模擬選定方面。使用像 PLECS 這樣的集成工具鏈有助于相互驗證不同目的的模型，從而實現(xiàn)模型的連續(xù)性。

審核編輯：郭婷