适用于多电平设计的飞电容转换器仿真

核心要点

• 只有当每个电容器都保持在目标电压时，飞电容转换器才能实现其效率和功率密度，而维持这一状态的唯一因素就是其开关模式。
• 自然平衡过程缓慢，且在轻载、总线步进以及启动期间会减弱，因此必须在设计电流环的同时，对主动平衡进行设计和验证。
• 平均化模型掩盖了电容器漂移现象，这使得基于开关精确模型的实时运行（与控制器配合）成为验证多电平控制的切实可行方法。

只有当每个电容器都保持其应有的母线电压时，飞电容转换器才能发挥其效率和功率密度的优势，而要证明这一点，需要一个能够再现每次开关事件的模型。

该拓扑结构的优势不难衡量。加州大学伯克利分校研制的一款10级“飞行电容器”模块，在峰值效率达98.95%的情况下，功率密度达到了38.4 kW/kg。这些提升得益于将母线电压分流至多个低压开关，从而缩小了滤波器的体积。

关键在于，除了开关模式本身之外，没有任何东西能维持这些电容电压的稳定。一旦时序、负载或总线电压发生变化，平衡状态就会发生漂移，因此这是设计中绝不能采用近似处理的部分。通过离线运行一个开关精确的模型，然后将其与实际控制器进行实时仿真比对，是测试多电平控制在导致其失稳的条件下表现的方法。

飞电容转换器在多电平级内部的作用

浮动电容器转换器是一种多电平拓扑结构，它利用浮动在串联开关对之间的电容器来构建中间电压电平。每个电容器存储总母线电压的固定比例，因此每个开关仅阻断其中一个电压阶跃。输出滤波器所承受的电压阶跃幅度较小，且有效频率更高。

在800 V母线上，一个典型的5级支路使用4对互补开关和3个充电电压分别为200 V、400 V和600 V的浮动电容器。每对开关可阻断200 V电压。当每对开关的载波频率为100 kHz且相位偏移时，电感上会出现400 kHz的纹波。

这一计算原理解释了为什么太阳能逆变器、飞机驱动装置和数据中心功率级会采用这种拓扑结构。每个电压等级仅在电容器保持在目标电压时才存在，且没有钳位网络来强制维持这一状态。

“飞行电容器”如何通过开关实现电压平衡

飞电容电压平衡之所以能奏效，是因为在每个开关周期内，负载电流会双向流经每个电容器。一种开关状态会给电容器充电，而与其配对的状态则使其放电。当每对开关以相同的占空比运行且载波均匀偏移时，两种电荷相互抵消，电压便得以保持。

一个三电平支路清晰地展示了该机制。两种开关状态都会将总线电压的一半施加到输出端。一种将电感电流导入单个浮动电容器，另一种则将相同的电流从电容器中抽回。 相移调制使两种状态的持续时间相等，因此即使没有传感器，电容器也会稳定在总线电压的一半。工程师将此称为“自然平衡”。其恢复力源于纹波电流和电路损耗对任何不平衡状态的作用，因此恢复速度较慢，且恢复速度与工作点产生的纹波量成正比。

为什么在实际运行条件下自然平衡会失效

当电容器所接收的电荷与被移除的电荷不再匹配，或者当恢复纹波电流过小而无法校正误差时，自然平衡机制就会失效。栅极时序不匹配、轻载、母线电压突变以及启动过程都会导致上述情况之一发生，而每种情况都会将电压转移到未按该电压额定设计的开关上。

假设两对开关之间因栅极驱动器延迟不一致而导致1%的占空比偏差。在100 kHz频率下，这相当于100 ns的误差。每个周期，这都会向其中一个电容器注入一小部分净电荷，导致电压逐渐偏离目标值，直到电路损耗将其抑制为止。 

“只要开关未超过其额定值，输出端看起来一切正常。”

母线瞬态更剧烈。如果为5级支路供电的800 V母线电压上升100 V，电容的目标电压将分别变为225 V、450 V和675 V，但电容只能以较慢的自然平衡速率作出响应。在电容赶上之前，距离母线最近的一对开关将承担大部分额外电压。

每个条件对模型都有特定的要求。

如何控制带主动平衡功能的飞电容转换器

你控制着一个带有两个环路的飞行电容器转换器，这两个环路共用同一组开关。外环通过调节平均占空比来控制输出电流或电压。随后，平衡环路会微调每个开关对的占空比或冗余开关状态的选择，从而确保每个电容器都能返回其目标位置。

平衡回路需要知道电容器的电压。一个6级支路包含4个悬浮电容器，每个电容器处于不同的电位，而每个电容器上都安装一个隔离传感器，这会增加成本并造成延迟。许多设计采用电压估计的方法，这使得平衡质量取决于采样时刻和估计器的调谐。

这两个环路之间也会相互作用。平衡校正会扰动输出电流，而快速电流环路会对此进行抵消。 您需要将平衡带宽设置在电流环路带宽之下，然后需要证明系统仍能及时从母线阶跃扰动中恢复。伊利诺伊大学基于该拓扑结构研制的一台三相 1.5 kV、15 kW 太阳能逆变器，其总谐波失真率低于 0.25%；该研究还将主动平衡和启动功能列为其主要贡献之一。

仿真 这款飞电容多级功放必须解决哪些问题

飞电容多电平仿真 必须解析每对开关的每次开关事件，因为电容平衡取决于它们之间的时序差异。平均模型将开关替换为占空比控制的电源，并假设电容位于其目标电平。该模型能很好地预测输出，但不会提供任何关于平衡的信息。

时序分辨率是首要要求。100 kHz 载波的切换周期为 10 µs，而导致漂移的不匹配量约为 100 ns。如果固定步长求解器仅在 1 µs 网格上记录门沿，就会将该不匹配量舍去，或者人为产生一个不匹配量。模型必须将每个门沿置于两个步长之间，或者将步长设置得足够细密，以至于舍入误差可以忽略不计。

器件和寄生参数则排在第二位。死区时间、每次换向时电感电流的方向以及电容的串联电阻，都会影响每个周期内电荷的转移量。 

“如果把它们排除在外，模型的平衡性反而会比硬件更好。”

运行时长是第三个压力因素。平衡动态过程贯穿数千个开关循环，而每个循环都需要高精度解析。离线启动研究的速度往往过慢，以至于工程师们开始跳过某些测试案例。

构建飞电容转换器的实时模型

一个飞行电容器转换器的实时模型在FPGA上运行开关电平电路，因此每个电容器的电压都是在远短于开关周期的时步内计算出来的。您的生产控制器通过其自身的门信号和传感器信号进行连接。

这是将硬件在环测试应用于平均模型无法展现的特定行为。OPAL-RT（仿真器 ）在基于FPGA的求解器（如eHS）上执行电力电子电路，正是通过这种方式，控制器生成的门控时序才能传递到模拟电容器上。由于控制器被纳入了控制环路，您可以运行那些在原型机上存在风险的测试案例，并在每次固件修订后重复执行这些测试。这5种情况涵盖了导致系统失衡的大部分原因。

• 启动时，所有飞电容均已放电，且预充电序列处于活动状态
• 满载和轻载工况下的总线电压波动和下陷
• 可使电感电流反向的负载突变
• 单对交换机上的故意门延迟不匹配
• 运行过程中一个电容器的电压测量值丢失

在信任一种飞行电容器设计之前需要验证哪些内容

在相信任何效率或密度数据之前，请先验证系统在受扰动情况下的平衡状态。当每个电容器在启动、母线电压突变、负载突降和定时故障后都能恢复到目标状态，且在恢复过程中每个开关的电压均保持在其额定电压范围内时，该“飞行电容器”设计才算可靠。

处理不当的团队通常会基于平均模型对电流环进行调谐，在原型机上验证稳态波形，却在某次未被模拟的暂态过程中因设备故障而遭遇平衡问题。将平衡问题放在首位则会颠倒这一顺序。你应从开关模型入手，将扰动工况作为通过与失败标准记录下来，并在每次修改控制代码时重新运行这些工况。

OPAL-RT能实时捕获飞行电容器电压平衡过程，因此您可以在任何硅器件面临风险之前，针对那些会导致多级控制失稳的相同动态特性对该控制方案进行验证。该转换器的自平衡特性较为脆弱，但这可以接受。您已在每个工作点上测得的这种脆弱行为，正是您在设计时可以加以应对的。