一种用于电力电子拓扑仿真的FPGA 建模方法

刘 丽，徐立恩，陈柳松

（中车株洲电力机车研究所有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

FPGA 相较于CPU 具有计算速度快、传递信号高速、能耗低等优点[1]，在高速率的仿真领域得到了广泛的应用[2]，特别是在电力电子领域；但其速率直接影响了系统的计算误差甚至准确性，因此，对电力电子拓扑进行实时仿真的FPGA 建模技术成为国内外专家和学者研究的热点。

目前，对于FPGA 的建模方法主要有3 种：传统的FPGA 建模方法[3-4]、基于eHS（electric hardware solver）的FPGA 建模方法[5-7]及基于模型设计的方法[8]。传统的建模方法不仅对专业人士的理论要求较高，而且对于大规模的电力电子拓扑，其数学分析过程复杂，建模难度大，需耗费大量的人力资源，开发周期长。基于eHS 的建模方法能利用SimPowerSystem 模型快速建立FPGA 模型，但需Opal-RT 测试系统的软、硬件资源支撑，且模型的规模受到一定的限制，不仅需要昂贵的使用费，而且模型的可移植性很差。基于模型的设计方法是Mathworks 公司近年提出来的一种新设计方法，其基于Simulink 模型自动生成HDL 代码，但仍需对电路拓扑进行大量的数学分析。

针对电力电子拓扑FPGA 建模存在的问题，本文提出一种用于电力电子拓扑实时仿真的FPGA 快速建模方法。其通过对电力电子开关器件的等效，能够方便简单地对电力电子拓扑进行数学分析，同时可利用Matlab自带的函数方便地得到系统的状态空间矩阵，并将其映射于FPGA。该方法在复杂电力电子拓扑模型数学分析方面具有明显的优势，同时能够打破仿真器公司的技术封锁，对于仿真建模技术的发展具有重要意义。……