積木式電力電子技術開發(fā)平臺

一、 系統(tǒng)概述
1. 平臺優(yōu)勢
    當前電力電子技術開發(fā)平臺往往針對特定拓撲類型，如常見的三相逆變器實驗平臺，由三相六開關管組成的固定拓撲，只能用于三相逆變場合；其他針對新穎拓撲的電力電子開發(fā)平臺，由開關器件直接構成拓撲結構，無法用于其他拓撲的研究。該實驗平臺的搭建往往需要依據(jù)拓撲類型，再設計功率硬件、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、保護邏輯（過壓保護、過流保護、過熱保護等），以及優(yōu)化主功率回路布線等以提升平臺性能，大大延長了實驗進程和技術開發(fā)周期，增加了開發(fā)成本。
    積木式電力電子技術開發(fā)平臺是基于標準半橋模塊的靈活組合式電力電子技術開發(fā)及實驗平臺。半橋拓撲是大多數(shù)電力電子拓撲的標準子拓撲，由標準半橋通過各種方式連接組合，可構成各種形式的電力電子拓撲，如全橋拓撲、MMC（Modular Multilevel Converter）拓撲、DAB（Dual Active Bridge）拓撲等。
    功率模塊部分基于半橋拓撲，集成驅(qū)動電路、硬件保護邏輯、死區(qū)產(chǎn)生電路與溫控風扇驅(qū)動等。采樣和調(diào)理模塊部分，集成了隔離采樣與運放調(diào)理的多通道的采樣調(diào)理，可依據(jù)拓撲控制需要靈活接入到實際電路中，實現(xiàn)隔離采樣、固定變比（與示波器通道變比直接匹配）、通道個性化保護閾值以及多通道保護匯總等。控制器模塊采用FPGA與DSP結合的硬件構架，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。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控制信號通過轉接板模塊連接到功率模塊上便能實現(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撲，進行實物驗證，大大加快了實驗進程，縮短研發(fā)周期。

2. 平臺架構

（1）積木式搭建的功率模塊由數(shù)個半橋功率子模塊，以目標拓撲形式組合連接。每個半橋模塊包含三個引出的強電端口，分別為半橋直流側正極、半橋直流側負極以及半橋中點。大多數(shù)拓撲都可由半橋模塊組合而成，因此多個半橋功率模塊可以任意互聯(lián)，形成目標拓撲結構。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，此控制信號與強電隔離，弱電接口也可向轉接板傳輸故障信號等用作保護。
（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拓撲測試點。傳感器實現(xiàn)強弱電隔離，調(diào)理模塊輸出的弱電信號及過壓過流保護信號送入控制器模塊即可實現(xiàn)閉環(huán)采樣。
（3）信號轉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構架，包含ADC功能，具有數(shù)字資源和外部接口豐富的特點，支持Matlab自動代碼生成?？刂破鞯腎O口連接到信號轉接板，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

功率模塊由風扇、散熱片、強電及驅(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)生兩路互補且?guī)绤^(qū)的上下管驅(qū)動信號。
② 模塊自帶外部閉鎖開關。
③ 自帶上下兩管的過流、過溫保護及復位功能。
④ 風扇依據(jù)開關管溫度自動啟停。

1.2 單/雙路PWM切換半橋功率模塊

功率模塊由風扇、散熱片、強電及驅(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，三個強電接口，和兩組12路弱電接口。
① 三個強電接口分別為半橋的上、下兩端口及半橋中點。
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）
開關頻率：＜150kHz
電流保護值設定：30A
溫度保護值設定：85℃
過流保護速度：<=4us
硬開關時管壓降過充：<=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輸入分別獨立驅(qū)動上下開關管。
② 模塊自帶外部閉鎖開關。
③ 自帶上下兩管的過流、過溫保護及復位功能。
④ 風扇依據(jù)開關管溫度自動啟停。

1.3 MMC半橋功率模塊

功率模塊由風扇、散熱片、強電及驅(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 兩個強電接口分別為MMC的半橋中點及半橋直流母線的負極。
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）
電流保護值設定：18A
溫度保護值設定：85℃
過流保護速度：<=4us
硬開關時管壓降過充：<=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。
③ 自帶MMC上下兩管的過流、過溫、過壓保護及復位功能。
④ 風扇依據(jù)開關管溫度自動啟停。
⑤ FPGA接收來自上位機調(diào)制波，對模塊進行PWM控制，可實現(xiàn)FPGA與上位機通信。

1.4 高壓半橋功率模塊

功率模塊由風扇、散熱片、強電及驅(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，三個強電接口，和12路弱電接口。
① 三個強電接口分別為半橋的上、下兩端口及半橋中點。
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，模塊上下兩開關管電流采樣反饋信號。

• 參數(shù)

額定電壓：400V
額定電流：15A
開關頻率：＜150kHz
電流保護值設定：18A
溫度保護值設定：85℃
過流保護速度：<=4us

• 功能

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

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路強電電壓輸入接口，每路包含目標測量電壓的正負接口各一個，可通過香蕉頭快速插拔，任意并聯(lián)到目標拓撲的測量節(jié)點。
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 一組霍爾板的保護邏輯輸出與輸入端口，該信號可與其他霍爾板的保護邏輯輸出與輸入端口串聯(lián)，實現(xiàn)保護信號的匯總。

• 參數(shù)

采樣輸入強電電壓范圍：±1000V
采樣輸出弱電電壓范圍：±10V
電壓保護值設定：各通道可調(diào)

• 功能

① 強電電壓隔離采樣。
② 每通道都可進行個性化保護值設置?？蓪崿F(xiàn)正負過壓的保護。
③ 霍爾板故障信號可進行串聯(lián)，實現(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)電阻進行零漂和增益校準。


2.2電流霍爾板

• 尺寸

4cm×15cm×63.5cm

• 接口

① 一組16路強電電流輸入口，每路包含目標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)到目標拓撲的回路中。
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 一組霍爾板的保護邏輯輸出與輸入端口，可與其他霍爾板的保護邏輯輸出與輸入端口串聯(lián)，實現(xiàn)保護信號的匯總。

• 參數(shù)

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

• 功能

① 強電電流隔離采樣。
② 每通道都可進行個性化保護值設置，實現(xiàn)正負過流保護。
③ 霍爾板故障信號可進行串聯(lián)，實現(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)電阻進行零漂和增益的校準。

3. 信號轉接板

• 尺寸

2cm*26.5cm*50cm

• 接口

① 4路外部保護信號輸入接口，最多可以同時連接4路霍爾板的保護邏輯輸出與輸入端口，從霍爾板讀取保護信號，執(zhí)行保護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路霍爾板故障保護信號接口；
4個功能按鍵；

• 功能

① 實現(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信號進行綜合，再與控制器傳輸來的閉鎖信號綜合，實現(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，實現(xiàn)FPGA的基本功能。
② 擁有一個板上復位按鍵。
③ 多達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，實現(xiàn)FPGA的基本功能；
② 擁有一個板上復位按鍵；
③ 多達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，用于連接信號轉接板或外接的光纖板，可傳輸多達96路信號。
③ 1組FPGA外部擴展口，包含AD拓展口，通過適配接口，可再外擴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擴展口。該擴展口包含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外部擴展接口：1個；
⑦ DSP外部引出口：32路，可復用做通訊和普通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口的復用，32路做外掛AD口、外掛DA口與普通IO口的復用，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，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。
② 豐富的外部擴展口，擁有強大的復用功能，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均擁有單獨引出的IO口，可單獨使用DSP或FPGA。
⑤ D-Sub口還可適配光纖板，實現(xiàn)光電信號轉換。

三、 典型應用