熠速电力电子和电机FPGA模型库

——背景——

现今，随着电力电子和电机控制系统中SiC，GaN等器件的应用，为实现更高功率密度，更小的体积，更高的效率的目标，对电力电子和电机控制的实时仿真提出新的要求：

1. 更高的电力电子开关频率（几百kHz，甚至MHz），需要更快的仿真速率，更小的仿真步长；
2. 更大的电力电子拓扑规模（1个电力电子拓扑包括上万个电力电子器件），需要更多的仿真硬件资源，导致成本上升；
3. 更多的电机类型（同步，异步）和结构形式（多相，多绕组），更高的仿真精度；

简言之就是Faster，Larger，more Various and Precise；

——现有模型库面临的问题——

而现有的电力电子和电机模型库（Specialized Power System）在实时仿真中的问题：

1. 现有模型库，内部结构复杂，导致占用仿真硬件资源过多。
2. 现有模型库，计算量大，运算速度较慢，不能满足纳秒级仿真步长的要求。
3. 电机模型类型有限。无法准确仿真电机的非线性和谐波特性；

——熠速的解决方案（Feature）——

1. 采用模拟行为模型(Analog Behavioral Modeling，即 ABM）的方式进行建模。不考虑电力电子拓扑内部每个开关器件的模型，而是把电力电子拓扑作为一个整体，利用开关函数来描述其输入输出的数学关系。

图1 H半桥的基于开关函数的输入输出关系和基于ABM的Simulink模型

2. 基于组件的（积木式）建模。虽然电力电子拓扑类型较多，但是这些拓扑都可以分解为5种基本拓扑（组件）。基于5种基本电力电子拓扑，组合实现各种拓扑；

图2 基于5种基本电力电子拓扑，组合实现各种拓扑

3. 基于三维数值梯度离散化方法（3D numerical gradient discretisation method， 3D ngdm）求解电机的偏微分方程；为了准确仿真电机的非线性和谐波特性，电机模型更加复杂，由微分方程变为偏微分方程，创新的提出3D ngdm方法，分别计算电机参数每个维度变化的梯度值，从而快速解算偏微分方程。

图3 

——Advance——

1. 基于ABM的建模方式，简化电力电子拓扑内部的复杂度，降低对仿真硬件资源的占用，并减少模型计算量，提升计算速度，缩短仿真步长；
2. 基于组件的（积木式）建模，通过基本电力电子拓扑，组合得到复杂的电力电子拓扑，大幅缩短建模的时间，提升建模效率；
3. 基于3D ngdm方法解算电机偏微分方程，保证仿真精度的前提下，不增加对仿真硬件资源的占用，大幅降低模型的计算量。

——Benefit——

1. 减少对仿真硬件资源的占用，从而降低产品硬件成本，提高产品的简统化水平；
2. 减少模型计算量，提升计算速度，缩短仿真步长；从而满足高开关频率领域（例如车载充电，储能，电源）的电力电子与电机控制实时仿真要求；
3. 满足高精度电机仿真测试领域（汽车，航空，轨道交通等）的要求，满足噪声、振动与声振粗糙度（Noise、Vibration、Harshness，NVH）等测试的要求；