Évaluation de la fidélité de la simulation en temps réel pour les applications de convertisseurs résonnants à haute fréquence

Simulation en temps réel : amélioration des applications des convertisseurs résonnants à haute fréquence

Les convertisseurs résonnants à haute fréquence sont essentiels dans l'électronique de puissance moderne, en particulier dans l'électrification des transports. Ces convertisseurs fournissent un flux de puissance bidirectionnel avec un rendement élevé, ce qui en fait un choix privilégié pour les applications nécessitant une densité de puissance élevée. Cependant, la conception et la validation des contrôleurs pour ces convertisseurs est un processus complexe qui prend du temps. C'est là que les tests de Simulation HIL (HIL) jouent un rôle crucial en accélérant et en simplifiant le cycle de développement.

Le défi de la simulation haute fidélité en temps réel

L'un des principaux défis de la simulation en temps réel des convertisseurs résonnants à haute fréquence est de maintenir un niveau élevé de précision de la simulation. La modélisation précise des événements de commutation et des comportements résonants est essentielle pour obtenir des résultats réalistes. Les méthodes d'intégration numérique traditionnelles, telles que la méthode BE (Backward Euler), sont souvent insuffisantes pour représenter avec précision les circuits résonnants, ce qui nécessite l'utilisation de méthodes plus avancées.

La solution OPAL-RT

Pour relever ces défis, OPAL-RT a mis au point un solveur de matériel électrique (eHS) basé sur un FPGA, conçu spécifiquement pour la simulation en temps réel de convertisseurs résonnants à haute fréquence. Ce solveur de pointe :

• Capture les signaux de commutation avec une fréquence d'échantillonnage supérieure à 1 GHz.
• Utilise une méthode d'intégration numérique d'ordre élevé pour simuler avec précision les circuits résonnants.
• Mise en œuvre d'une conception efficace basée sur un FPGA qui minimise les étapes de simulation, atteignant 135ns pour un système de convertisseur DC-DC complet qui consiste en de multiples étapes de conversion sans découplage des composants.

Application concrète : avions électriques hybrides

Un cas d'utilisation pratique démontrant l'efficacité de cette technologie concerne un système de convertisseur DC-DC conçu pour un avion électrique hybride. Ce système comporte un convertisseur multiport avec deux étages principaux :

• Un étage d'équilibrage de tension fonctionnant à 100kHz.
• Un étage de convertisseur résonant, fonctionnant jusqu'à 250 kHz, qui comprend :
  • Un convertisseur CLLC bidirectionnel assurant l'interface avec la charge haute tension (HV).
  • Convertisseur LLC unidirectionnel pour l'interfaçage de charges à basse tension (LV).

En utilisant le solveur eHS d'OPAL-RT, les simulations en temps réel ont été comparées aux simulations de référence hors ligne qui utilisent un solveur à pas variable. Les résultats ont démontré une amélioration significative de la fidélité de la simulation lors de l'utilisation de la méthode d'intégration numérique PADE-5 par rapport à la méthode BE, en particulier lors de la modélisation du courant d'inductance résonant du côté primaire du convertisseur.

L'avenir des tests HIL en électronique de puissance

Alors que l'électronique de puissance continue d'évoluer, en particulier dans des applications telles que les véhicules électriques et les avions hybrides, la demande de tests HIL haute-fidélité ne fera qu'augmenter. Pour faire progresser ces technologies, il sera nécessaire de disposer de modèles de simulation en temps réel précis et fiables. Le dernier solveur eHS et les solutions matérielles d'OPAL-RT établissent une nouvelle norme en matière de précision de simulation, permettant aux ingénieurs de développer et de tester des systèmes électroniques de puissance innovants en toute confiance.

Grâce aux progrès constants de la simulation en temps réel, les ingénieurs peuvent accélérer le processus de conception et de validation, ce qui permet de faire avancer l'avenir de l'électronique à haut rendement et à haute densité de puissance.