積木式電力電子技術(shù)開發(fā)平臺

一、 系統(tǒng)概述
1. 平臺優(yōu)勢
    當(dāng)前電力電子技術(shù)開發(fā)平臺往往針對特定拓?fù)漕愋?，如常見的三相逆變器?shí)驗(yàn)平臺，由三相六開關(guān)管組成的固定拓?fù)?，只能用于三相逆變場合；其他針對新穎拓?fù)涞碾娏﹄娮娱_發(fā)平臺，由開關(guān)器件直接構(gòu)成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，無法用于其他拓?fù)涞难芯?。該?shí)驗(yàn)平臺的搭建往往需要依據(jù)拓?fù)漕愋?，再設(shè)計功率硬件、弱電控制、功率器件驅(qū)動、采樣與控制等部分硬件電路，須全面考慮功率器件驅(qū)動電路的穩(wěn)定性、弱電控制電路的可靠性、保護(hù)邏輯（過壓保護(hù)、過流保護(hù)、過熱保護(hù)等），以及優(yōu)化主功率回路布線等以提升平臺性能，大大延長了實(shí)驗(yàn)進(jìn)程和技術(shù)開發(fā)周期，增加了開發(fā)成本。
    積木式電力電子技術(shù)開發(fā)平臺是基于標(biāo)準(zhǔn)半橋模塊的靈活組合式電力電子技術(shù)開發(fā)及實(shí)驗(yàn)平臺。半橋拓?fù)涫谴蠖鄶?shù)電力電子拓?fù)涞臉?biāo)準(zhǔn)子拓?fù)?，由?biāo)準(zhǔn)半橋通過各種方式連接組合，可構(gòu)成各種形式的電力電子拓?fù)?，如全橋拓?fù)洹MC（Modular Multilevel Converter）拓?fù)?、DAB（Dual Active Bridge）拓?fù)涞取?/span>
    功率模塊部分基于半橋拓?fù)?，集成?qū)動電路、硬件保護(hù)邏輯、死區(qū)產(chǎn)生電路與溫控風(fēng)扇驅(qū)動等。采樣和調(diào)理模塊部分，集成了隔離采樣與運(yùn)放調(diào)理的多通道的采樣調(diào)理，可依據(jù)拓?fù)淇刂菩枰`活接入到實(shí)際電路中，實(shí)現(xiàn)隔離采樣、固定變比（與示波器通道變比直接匹配）、通道個性化保護(hù)閾值以及多通道保護(hù)匯總等?？刂破髂K采用FPGA與DSP結(jié)合的硬件構(gòu)架，由DSP核心板、FPGA核心板、ADC板和基板組成，具有數(shù)字資源和外部接口豐富的特點(diǎn)。只需將采樣與調(diào)理模塊的輸出接到控制器的采樣接口，將控制器輸出的開關(guān)控制信號通過轉(zhuǎn)接板模塊連接到功率模塊上便能實(shí)現(xiàn)對搭建系統(tǒng)的閉環(huán)控制。
    綜上所述，積木式電力電子技術(shù)開發(fā)平臺集成了可靠的驅(qū)動電路、控制器、采樣調(diào)理電路等模塊，可以快速搭建任何新穎的電路拓?fù)?，進(jìn)行實(shí)物驗(yàn)證，大大加快了實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，縮短研發(fā)周期。

2. 平臺架構(gòu)

（1）積木式搭建的功率模塊由數(shù)個半橋功率子模塊，以目標(biāo)拓?fù)湫问浇M合連接。每個半橋模塊包含三個引出的強(qiáng)電端口，分別為半橋直流側(cè)正極、半橋直流側(cè)負(fù)極以及半橋中點(diǎn)。大多數(shù)拓?fù)涠伎捎砂霕蚰K組合而成，因此多個半橋功率模塊可以任意互聯(lián)，形成目標(biāo)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。半橋模塊還包含弱電接口，可接受外部單路或雙路PWM控制信號以控制半橋或分別控制上下兩管，此控制信號與強(qiáng)電隔離，弱電接口也可向轉(zhuǎn)接板傳輸故障信號等用作保護(hù)。
（2）多通道采樣及調(diào)理模塊由多通道電壓霍爾板和多通道電流霍爾板組成，通過靈活可插拔的電壓/電流測試端口，即可方便的接入到目標(biāo)拓?fù)錅y試點(diǎn)。傳感器實(shí)現(xiàn)強(qiáng)弱電隔離，調(diào)理模塊輸出的弱電信號及過壓過流保護(hù)信號送入控制器模塊即可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)采樣。
（3）信號轉(zhuǎn)接板橋接控制器與功率模塊，起信號光電隔離的作用，避免來自功率模塊的干擾影響控制器。轉(zhuǎn)接板上擁有上百路連接到功率子模塊的接口，通過帶有屏蔽層的多芯電纜可以連接上百個子模塊。
（4）控制器采用DSP加FPGA構(gòu)架，包含ADC功能，具有數(shù)字資源和外部接口豐富的特點(diǎn)，支持Matlab自動代碼生成?？刂破鞯腎O口連接到信號轉(zhuǎn)接板，控制器的ADC輸入口連接到通道采樣及調(diào)理模塊的輸出，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制閉環(huán)。

二、 模塊介紹
1. 功率模塊
1.1 單路PWM半橋功率模塊

功率模塊由風(fēng)扇、散熱片、強(qiáng)電及驅(qū)動電路板和弱電控制板組成。

• 尺寸

• 接口

• 功能

① 只需單路PWM輸入，產(chǎn)生兩路互補(bǔ)且?guī)绤^(qū)的上下管驅(qū)動信號。
② 模塊自帶外部閉鎖開關(guān)。
③ 自帶上下兩管的過流、過溫保護(hù)及復(fù)位功能。
④ 風(fēng)扇依據(jù)開關(guān)管溫度自動啟停。

1.2 單/雙路PWM切換半橋功率模塊

功率模塊由風(fēng)扇、散熱片、強(qiáng)電及驅(qū)動電路板和弱電控制板組成。

• 尺寸

5cm×7cm×9cm

• 接口

共兩組接口，三個強(qiáng)電接口，和兩組12路弱電接口。
① 三個強(qiáng)電接口分別為半橋的上、下兩端口及半橋中點(diǎn)。
② 兩路相同的弱電接口，包含弱電供電，雙路PWM輸入信號，模塊閉鎖信號，模塊故障清除信號，模塊故障反饋信號，模塊上下兩開關(guān)管電流采樣反饋信號。

• 參數(shù)

額定電壓：150V
額定電流：25A（50kHz，50%占空比時）
開關(guān)頻率：＜150kHz
電流保護(hù)值設(shè)定：30A
溫度保護(hù)值設(shè)定：85℃
過流保護(hù)速度：<=4us
硬開關(guān)時管壓降過充：<=8%

• 功能

① 可選擇單路或雙路PWM輸入。選擇單路PWM輸入時模塊自產(chǎn)生兩路互補(bǔ)且?guī)绤^(qū)的上下管驅(qū)動信號，選擇雙路PWM輸入時模塊依據(jù)兩路PWM輸入分別獨(dú)立驅(qū)動上下開關(guān)管。
② 模塊自帶外部閉鎖開關(guān)。
③ 自帶上下兩管的過流、過溫保護(hù)及復(fù)位功能。
④ 風(fēng)扇依據(jù)開關(guān)管溫度自動啟停。

1.3 MMC半橋功率模塊

功率模塊由風(fēng)扇、散熱片、強(qiáng)電及驅(qū)動電路板、電容板、電壓采樣板、供電電源板、FPGA控制器小板和熱管理板組成。

• 尺寸

4cm×11cm×12.7cm

• 接口

共三組接口，一組兩個半橋MMC輸出的強(qiáng)電接口，一組FPGA的JTAG接口，一組光耦隔離的FPGA通信接口。
① 兩個強(qiáng)電接口分別為MMC的半橋中點(diǎn)及半橋直流母線的負(fù)極。
② 一組FPGA的JTAG接口。
③ 光耦隔離的FPGA通信接口，三路上行三路下行的光耦隔離后的信號。

• 參數(shù)

額定電壓：100V
額定電流：15A（20kHz時）
電流保護(hù)值設(shè)定：18A
溫度保護(hù)值設(shè)定：85℃
過流保護(hù)速度：<=4us
硬開關(guān)時管壓降過充：<=8%

• 功能

① MMC基本功能，子模塊自帶FPGA控制器。
② 模塊自帶外部閉鎖開關(guān)。
③ 自帶MMC上下兩管的過流、過溫、過壓保護(hù)及復(fù)位功能。
④ 風(fēng)扇依據(jù)開關(guān)管溫度自動啟停。
⑤ FPGA接收來自上位機(jī)調(diào)制波，對模塊進(jìn)行PWM控制，可實(shí)現(xiàn)FPGA與上位機(jī)通信。

1.4 高壓半橋功率模塊

功率模塊由風(fēng)扇、散熱片、強(qiáng)電及驅(qū)動電路板和弱電控制板組成。

• 尺寸

5cm×5cm×9cm

• 接口

共兩組接口，三個強(qiáng)電接口，和12路弱電接口。
① 三個強(qiáng)電接口分別為半橋的上、下兩端口及半橋中點(diǎn)。
② 弱電接口，包含弱電供電，單路PWM輸入信號，模塊閉鎖信號，模塊故障清除信號，模塊故障反饋信號，模塊上下兩開關(guān)管電流采樣反饋信號。

• 參數(shù)

額定電壓：400V
額定電流：15A
開關(guān)頻率：＜150kHz
電流保護(hù)值設(shè)定：18A
溫度保護(hù)值設(shè)定：85℃
過流保護(hù)速度：<=4us

• 功能

① 只需單路PWM輸入，自產(chǎn)生兩路互補(bǔ)且?guī)绤^(qū)的上下管驅(qū)動信號。
② 模塊自帶外部閉鎖開關(guān)。
③ 自帶上下兩管的過流、過溫保護(hù)及復(fù)位功能。
④ 風(fēng)扇依據(jù)開關(guān)管溫度自動啟停。

2. 多通道采樣及調(diào)理模塊
2.1電壓霍爾板

• 尺寸

4cm×15cm×63.5cm

• 接口

① 一組16路強(qiáng)電電壓輸入接口，每路包含目標(biāo)測量電壓的正負(fù)接口各一個，可通過香蕉頭快速插拔，任意并聯(lián)到目標(biāo)拓?fù)涞臏y量節(jié)點(diǎn)。
② 一組16路經(jīng)電壓霍爾傳感器測量得到的電壓信號弱電輸出口，每路的輸出口均包含兩個不同尺寸的同軸電纜接口，大尺寸接口可直接連到示波器的通道上，小尺寸接口可以連接到某些支持同軸電纜輸入采樣信號的控制器。
③ 一組D-Sub連接器，該連接器可將16路電壓采樣及調(diào)理后得到的弱電信號輸出到控制器的ADC端口。
④ 一組霍爾板的保護(hù)邏輯輸出與輸入端口，該信號可與其他霍爾板的保護(hù)邏輯輸出與輸入端口串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)保護(hù)信號的匯總。

• 參數(shù)

采樣輸入強(qiáng)電電壓范圍：±1000V
采樣輸出弱電電壓范圍：±10V
電壓保護(hù)值設(shè)定：各通道可調(diào)

• 功能

① 強(qiáng)電電壓隔離采樣。
② 每通道都可進(jìn)行個性化保護(hù)值設(shè)置?？蓪?shí)現(xiàn)正負(fù)過壓的保護(hù)。
③ 霍爾板故障信號可進(jìn)行串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)對故障信號的綜合。
④ 提供直連示波器及控制器的同軸電纜端口，可直接將采樣值傳輸?shù)绞静ㄆ鳌?/span>
⑤ 每路都可通過兩個可調(diào)電阻進(jìn)行零漂和增益校準(zhǔn)。


2.2電流霍爾板

• 尺寸

4cm×15cm×63.5cm

• 接口

① 一組16路強(qiáng)電電流輸入口，每路包含目標(biāo)測量電流流入和流出接口各一個，可通過香蕉頭快速插拔，任意串聯(lián)到目標(biāo)拓?fù)涞幕芈分小?/span>
② 一組16路經(jīng)電流霍爾傳感器測量得到的電流信號弱電輸出口，每路輸出均含有兩種不同尺寸的同軸電纜接口，大接口可直接連接到示波器，小尺寸接口可以連接到支持同軸電纜輸入采樣信號的控制器。
③ 一組D-Sub連接器，該連接器可將16路電流采樣及調(diào)理后得到的弱電信號輸出到控制器的ADC端口。
④ 一組霍爾板的保護(hù)邏輯輸出與輸入端口，可與其他霍爾板的保護(hù)邏輯輸出與輸入端口串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)保護(hù)信號的匯總。

• 參數(shù)

采樣輸入強(qiáng)電電壓范圍：±100A
采樣輸出弱電電壓范圍：±10V
電流保護(hù)值設(shè)定：各通道可調(diào)

• 功能

① 強(qiáng)電電流隔離采樣。
② 每通道都可進(jìn)行個性化保護(hù)值設(shè)置，實(shí)現(xiàn)正負(fù)過流保護(hù)。
③ 霍爾板故障信號可進(jìn)行串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)故障信號綜合。
④ 提供直連示波器及控制器的同軸電纜端口。
⑤ 每路都可通過兩個可調(diào)電阻進(jìn)行零漂和增益的校準(zhǔn)。

3. 信號轉(zhuǎn)接板

• 尺寸

2cm*26.5cm*50cm

• 接口

① 4路外部保護(hù)信號輸入接口，最多可以同時連接4路霍爾板的保護(hù)邏輯輸出與輸入端口，從霍爾板讀取保護(hù)信號，執(zhí)行保護(hù)動作閉鎖功率子模塊。
② 8個大接插件接口為繼電器驅(qū)動的隔離接口，用于作為強(qiáng)電回路中的斷路器或繼電器驅(qū)動。
③ 4路D-Sub連接器用于與控制器通信，最上及最下的D-Sub接口接收控制器的PWM信號以驅(qū)動功率子模塊，中間兩個D-Sub接口分別為控制器數(shù)字信號輸入和輸出，輸入的D-Sub接口用于傳輸控制器的子模塊閉鎖信號，以及對繼電器的驅(qū)動信號，輸出的D-Sub接口用于對控制器輸出主電路故障狀態(tài)信號。
④ 120路多芯電纜接口用于通過多芯電纜連接到子模塊，實(shí)現(xiàn)控制器對功率子模塊的控制及閉鎖。
⑤ 6路用于供電的接線端子。

• 參數(shù)

120路功率模塊接口；
8路繼電器驅(qū)動端口；
4路霍爾板故障保護(hù)信號接口；
4個功能按鍵；

• 功能

① 實(shí)現(xiàn)控制器信號對功率子模塊控制信號的橋接與隔離。
② 將功率子模塊、霍爾板傳來的故障保護(hù)信號進(jìn)行綜合，再與控制器傳輸來的閉鎖信號綜合，實(shí)現(xiàn)對單個功率子模塊的閉鎖。
③ 包含四路功能按鍵，其中一個按鍵用于對功率子模塊故障信號的清零，其余三個將按鍵開關(guān)信號傳輸?shù)娇刂破?，可用于自定義功能。

4. 控制器模塊
根據(jù)不同應(yīng)用場景對控制器數(shù)字資源的需求，系統(tǒng)提供三種配置的控制器，分別是FPGA小板、FPGA大板和FPGA與DSP組合控制板。
4.1 FPGA小板
對控制器數(shù)字資源要求不高，但對控制器體積大小要求較高的情況下，可以選用體積小的FPGA單板，一般用于模塊化變流器最-底層直接控制單個子模塊的場景。

• 尺寸

0.7cm*3.5cm*4cm

• 接口

① 外部5V供電接口。
② JTAG接口。
③ 68路IO口，其中5路僅能用于輸入。

• 參數(shù)

FPGA芯片型號：EP4CE15E22C8N
程序存儲FLASH容量：64Mbit
通過鎖相環(huán)倍頻后正常工作時鐘頻率：300MHz

• 功能

① 作為控制器核心板，實(shí)現(xiàn)FPGA的基本功能。
② 擁有一個板上復(fù)位按鍵。
③ 多達(dá)68路的IO口用于外部通信。
④ 較高的FLASH存儲空間。

4.2 FPGA大板
對控制器數(shù)字資源要求較高，對控制器輸出信號路數(shù)要求較高的情況下，可選配邏輯資源較為豐富的FPGA單板，一般用于模塊化變流器多個子模塊形成組串的閥控制器。

• 尺寸

1cm*10cm*10cm

• 接口

① 外部5V供電接口。
② JTAG接口。
③ 319路IO口，其中13路僅能用于輸入。

• 參數(shù)

FPGA芯片型號：EP4CE55F23I7N
程序存儲FLASH容量：64Mbit
通過鎖相環(huán)倍頻后正常工作時鐘頻率：300MHz

• 功能

① 作為控制器核心板，實(shí)現(xiàn)FPGA的基本功能；
② 擁有一個板上復(fù)位按鍵；
③ 多達(dá)319路的IO口用于外部通信；
④ 較高的FLASH存儲空間。

4.3 FPGA與DSP組合控制板
對控制器數(shù)字資源、輸出信號路數(shù)以及ADC采樣路數(shù)要求很高的情況，可適配FPGA與DSP組合控制板，一般用于大規(guī)模復(fù)雜電力電子系統(tǒng)的頂層控制器。

• 尺寸

2cm*36cm*25cm

• 接口

① 32路帶隔離的AD采樣輸入。該接口輸入電壓范圍±10V，經(jīng)過隔離運(yùn)放產(chǎn)生與外部隔離的AD采樣信號。
② 4路D-Sub接口，連接到FPGA的IO口，用于連接信號轉(zhuǎn)接板或外接的光纖板，可傳輸多達(dá)96路信號。
③ 1組FPGA外部擴(kuò)展口，包含AD拓展口，通過適配接口，可再外擴(kuò)8路AD板。
④ 3路光耦隔離的邏輯輸入輸出口和開漏輸入輸出口，前兩者可用于隔離的通訊，后者可用于外部繼電器的隔離驅(qū)動。
⑤ 1組DSP擴(kuò)展口。該擴(kuò)展口包含DSP的I2C通訊接口、CAN通訊接口、SPI通訊接口、外部中斷接口及ECAP接口，也可復(fù)用為普通GPIO口。

• 參數(shù)

① AD通道數(shù)：32路隔離AD輸入通道，包含16路ADC采樣板的輸入和16路DSP的AD端口輸入。16路可外部擴(kuò)展的AD通道；
② AD輸入電壓范圍：±10V；
③ AD輸入隔離與調(diào)理延遲：1us；
④ ADC板接口數(shù)：4個，其中兩路用于外接ADC板；
⑤ D-Sub接口信號數(shù)：96路；
⑥ DA外部擴(kuò)展接口：1個；
⑦ DSP外部引出口：32路，可復(fù)用做通訊和普通IO口；
⑧ FPGA外部引出口：65路，其中23路可做外掛AD口與普通IO口的復(fù)用，32路做外掛AD口、外掛DA口與普通IO口的復(fù)用，其余10路為普通IO口；
⑨ 隔離的邏輯接口：10路光耦隔離邏輯輸入，8路光耦隔離邏輯輸出；
⑩ 隔離的開漏輸出接口：8路，可用于外部繼電器或斷路器的驅(qū)動。

• 功能

① 實(shí)現(xiàn)DSP和FPGA的聯(lián)合工作，DSP與FPGA以數(shù)十個IO口相互連接，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。
② 豐富的外部擴(kuò)展口，擁有強(qiáng)大的復(fù)用功能，可以除了基板自帶的兩塊AD板插口外再外接2塊AD板和一塊DA板。
③ 可自由選配更換不同型號的DSP、FPGA、ADC型號，只要接口保持一致。
④ DSP和FPGA均擁有單獨(dú)引出的IO口，可單獨(dú)使用DSP或FPGA。
⑤ D-Sub口還可適配光纖板，實(shí)現(xiàn)光電信號轉(zhuǎn)換。

三、 典型應(yīng)用