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基于Speedgoat FPGA板卡的OBC和DCDC变换器的实时仿真
——OBC和DCDC变换器对实时仿真系统的要求——
OBC、DCDC变换器的核心是LLC谐振变换器,其应用非常广泛:
- 新能源汽车领域的OBC、DCDC以及地面的快充系统;
- 新能源的储能变流器PCS等;
- 手机,平板,笔记本电脑等便携式充电设备等;
由于应用场景的不同,LLC谐振变换器的拓扑型式多种多样,一般包括原边功率电路,谐振电路(含变压器),次边功率电路,输出电路。虽然LLC谐振变换器的功率范围从几W至几百kW,但为了实现高效率,高功率密度等目标,LLC谐振变换器的开关频率一般在50~300kHz之间;对于实时仿真系统的要求如下:
- FPGA硬件的IO接口延时小;
- FPGA模型的计算速度快;
——Speedgoat 的FPGA解决方案——
针对以上问题,Speedgoat的IO334 FPGA板卡以及IO3XX-21的数字扩展卡,配合Speedgoat的HDL Coder Integration Package(HCIP)可以很好的解决这两个问题;
Speedgoat的IO334 FPGA板卡以及IO3XX-21的数字扩展卡的IO接口延时非常小,从PWM输入、模型计算、到DAC输出的延时为几百纳秒。
针对FPGA模型的计算速度快的要求,可以选择Speedgoat的HDL Coder Integration Package(HCIP)工具和MATLAB/Simulink的HDL Coder工具的基于Simulink的高速FPGA实时仿真解决方案。利用Simulink中的FPGA开发工具HDL Coder将Simulink模型转换为HDL代码,调用Xilinx公司的Vivado编译器进行代码编译。整个流程通过Speedgoat的HCIP工具无缝整合到一起,嵌入在HDL Workflow Advisor流程中,基本流程和技术特点如下:
高速FPGA实时仿真模型开发流程和技术特点
HDL Workflow Advisor流程
——示例——
以之前储能充电项目的Resonant LLC Converter拓扑作为示例,如下图所示:
Resonant LLC Converter电路拓扑
根据上图的电路拓扑,利用Simulink中HDL Coder工具箱中的模块,搭建数学模型,如下图所示:
Resonant LLC Converter数学模型
首先离线仿真,确认数学模型的仿真结果与期望结果一致,再调用HDL Workflow Advisor流程,生成HDL代码,编译下载至Speedgoat的IO334 FPGA板卡中运行,实时仿真结果如下:
100%负载,开关频率:97.23kHz
12.5%负载,开关频率100.30kHz
1.25%,开关频率107.75kHz
空载下,开关频率110.48kHz
此外再验证开关频率200kHz时的仿真结果如下:
仿真波形,开关频率200kHz
——总结——
针对OBC和DCDC变换器的实时仿真系统,FPGA硬件的IO接口延时小和FPGA模型的计算速度快的需求,Speedgoat的IO334 FPGA板卡以及IO3XX-21的数字扩展卡,配合Speedgoat的HDL Coder Integration Package(HCIP)可以很好的解决这两个问题;在储能充电LLC谐振变换器项目中验证,确实是可行的;针对LLC谐振变换器的拓扑型式多种多样的问题,熠速提供客制化的建模和培训服务以及FPGA数学模型库来协助客户,加速建模过程。此外熠速还提供闭环调试,系统集成等服务,为客户提供交钥匙工程。
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