數字化控制技術在電力電子電路中的應用研究

余秋熠

（河南藝術職業學院，河南 鄭州 451464）

1 數字化控制與電力電子電路簡述

所謂的電力電子電路實際上是指在相關的技術支持與引導下，實現對電能幅值、頻率等重要參數修改與調節的一種電路系統。眾所周知，電能在轉化時的功能有所差異，根據這種差異也可以將電力電子電路劃分為不同的類型。同樣，電能的轉化次數也有所不同，以此為基礎也能夠將電能分為不同的形式。就組合變換電路而言，其通過多次轉化才能夠實現預期的目的，所以其也被稱之為間接變換電路。而對于基本變換電路而言，主要是通過一次轉換來對電能進行轉換。根據組成電路器件的差異，電力電子電路也可以分成半控型、不控型以及全控型變換電路[1]。電力電子電路的發展已經經歷了3個主要階段，對應的時間段分別是20世紀30年代、20世紀60年代以及20世紀80年代。第一代電力電子電路主要處于變流電路階段，第二段電力電子電路則處于半導體交流電路階段。自20世紀80年代以來，隨著可關斷晶閘管以及功率晶體管技術的成熟，由其組成的第三代電力電子電路也開始大規模的普及與應用。就電力電子電路的實際應用而言，可以總結出4個主要特點。第一，大量新型器件的應用；第二，新的控制方法及控制手段的升級；第三，電路結構的創新；第四，調試手段以及分析方法的優化[2]。

該系統通常有控制電路和主電路組成，其中主電路用于能量的傳輸，而控制電路則主要通過觸發信號的方式去控制和調節主功率開關，以此來實現電路的有效輸出。眾所周知，我國電力電子電路行業的起步較晚，所以相比于一些西方發達國家，我國相關領域的技術以及實踐經驗都有所欠缺。其主要在電路系統中表現為工作頻率較低、電路功率因素較低以及動態響應速度較低等狀況。這些問題的存在也是今后相關工作開展的巨大阻力。當前，隨著大功率晶體管等控制技術的日益成熟，大功率晶體管本身所具備的快速運算、信息儲備能力也為電力電子電路的發展提供了可靠地支持[3]。

隨著相關技術的不斷發展，電力電子電路已經從最初的相位控制逐步的過渡到分立元件控制的階段。隨著相關工作的不斷推進，時至今日已經逐步形成了集成控制器。在傳統的技術條件下，電力電子電路技術主要應用的是模擬控制方法，這與當前的數字化控制也有著明顯的差異。隨著數字化控制技術的不斷成熟和應用，不僅能夠有效地消除溫度漂移等傳統模擬控制模式下難以解決的問題，而且該技術對于變參數的調整也能夠起到十分關鍵的推動效果[4]，同時也能夠十分直接、明顯地推動系統安全性和穩定性的提高。

2 數字化控制技術在電力電子電路中的應用分析

2.1 單片機及其應用

單片機也可稱之為單片微控制器，其本身是一種帶有邏輯能力的小芯片。單片機在電力電子電路中的應用，也表現出了巨大的價值與功能。單片機對電力電子電路系統所起到的推動作用也是具有顛覆性的。同時，單片機質量輕、體積小等特點也有助于其在更多領域的應用。此外，單片機在該領域的應用也促進了計算機系統軟件的開發和升級，借助于單片機，我們也能夠就對應電腦系統的構造與原理展開進一步的剖析。

單片機在電力電子電路系統中的主要作用體現在兩個方面，分別是調節電壓電流、數據運算處理。這二者的有效控制也是電路系統有效運行的基礎與前提。同樣，伴隨著數字化控制技術在電力電子電路中的應用，也間接成為了推動DC變換器升級與革新的助力。而隨著雙調制高頻PWM控制方法的升級與應用，PWM中精度與高頻二者之間所長期存在的矛盾也的得到了有效的控制與緩解[5]。

在其他領域的發展實踐中，單片機也有著不俗的應用效果，如工業測控以及智能儀器等領域的應用價值都十分理想。由于單片機極大程度上突破了傳統模擬電路中的局限和不足，通過數字化的控制方式極大地提升了電路控制的水平質量。在智能家居形勢的一片向好的狀態下，單片機在這一領域內的發展前景也值得關注。值得一提的是，當前單片機的應用也存在一定的升級空間，因為其自身在工作頻率、控制精度之間的平衡問題還有待提高。如何進一步的提升單片機的應用效率，這也需要今后研究工作的進一步探索與保障。

2.2 SG3525芯片的應用

SG3525芯片作為一款性價比較高的控制軟件，其所具備的諸多安全性能也使其自誕生以來便飽受關注。在實際的應用中，該軟件所具備的電源保護、軟啟動控制以及驅動過流安全性等功能也決定了其應用范圍與價值。但是由于該軟件的芯片是由驅動電路組成的，所以當出現與主開關變換器間距較小的時候，因為電磁信號會對變換器造成影響，繼而對驅動脈沖的頻率造成干擾，所以如何有效的處理二者之間的關系也尤為重要。基于這樣的前提，可以通過增加內部振蕩器充電電容的方法去均衡放電電阻。而利用降低放電電阻的方法去維護后續工作的形式，也能夠有效的控制SG3525芯片驅動脈沖出現故障的可能。就電力電子電路而言，通常情況下，驅動電路都是通過隔離室來進行驅動[6]。但是就SG3525芯片而言，不難發現，其自身的驅動能力在一定的情況下，是無法滿足電力電子電路高標準的需求。在這個情況下，就可以通過放大電路的方法去確保和維護線路傳輸的完整性與安全性。

2.3 可編程門列陣的應用

可編程門列陣的簡稱為“EPGA”，其最早脫身于EPLD、GAL編輯器。作為一種延伸與創新的產物，可編程門列陣的應用也極大的滿足了新時期集成電路的發展訴求。伴隨著可編程門列陣的應用，一些定制電路中存在的問題也迎刃而解。可編程門列陣作為一種可重構器件，因內部強大的邏輯功能，所以在面對不同使用者的不同需求時也能夠表現出好很好的反映。這也使其具備了處理速度快、集成效率高等顯著特點。

高集成度是可編程門列陣的重要應用特征。這就意味著在面對一些復雜的等效門時，可以憑借其自身的優異性能來進行科學的處理，以此來加快分立元件線路以及多塊集成電路的形成。不僅如此，借助于VHDL技術，可編程門列陣還能就電路系統本身進行更進一步的設計與優化。根據其使用特性，可編程門列陣也可分為三個等級：門級描述、RTL描述以及行為描述。在具備了相關的要素與條件之后，電力電子電路也可進行這三個層次的混合仿真處理。這也能夠進一步的保障電力系統的安全與穩定。

2.4 電力電子電路中DSP控制

數字信號器在近年來得到了廣泛的應用，是一種全新的可編程式處理器。數字信號處理器最大的亮點在FIFO緩沖器以及波特率發生器。二者的融入，讓該處理器的應用效率得到了質的飛躍。不僅如此，處理器本身還設置有標準異步串口和高速同步串口。這相比于單片機，其在存儲容量、響應速度以及集成度等方面的優勢也是十分巨大的。

作為一種精簡指令的計算機系統，大多數的DSP指令都是在一個周期內完成的。此外，DSP獨特的設計結構，也使其具備了獨立的數據空間和程序，這也意味著其能夠同時進行程序和數據的儲存。硬件乘法器的設置，也能夠極大程度上保證系統的運算能力。相比于16位的單片機，DSP在執行單指令時的效率要快十倍左右[7]。

在電力電子裝置中，DSP主要用來提供系統通信、系統監控保護以及主電路控制等服務。DSP的應用也主要在UPS逆變控制以及交流電機調速等領域。在實際的應用中，盡管DSP表現出了優異的性能，但是系統本身采樣頻率的選擇、采樣延遲以及運算時間、精度等問題的限制，DSP的應用同樣也存在一些局限。

3 電力電子電路控制技術發展探析

一如章節2所示，當前電力電子電路控制領域中，單片機、EPGA、DSP等技術的應用已經取得了較為可觀的成果，相比于以往的模擬控制電路，上述技術的應用價值也贏得了普遍的肯定。隨著行業發展的不斷加速，高頻化以及復雜化的趨勢也愈發的明朗。這就意味著單一芯片的應用將很難取得理想的控制效果。為此加強不同芯片之間混合使用研究也就頗具現實意義。實際上，任何芯片之間的混合使用都是為了獲取更好的性能，而這實際上也是今后控制電路領域的必然發展趨勢。

3.1 單片機+DSP結構

一如章節2所示，單片機與DSP在實際的應用過程中在不同的領域都表現出了優異的性能，但是同樣二者也各有各自的短板。所以二者的有效結合也能夠取得理想的效果。例如，在UPS中，DC/DC、AC/DC的控制可以采用單片機，而DC/AC的控制則可以選用頻率更高的DSP芯片。

3.2 DSP+FPGA結構

一如章節2所示，DSP最大的特點在于較高的靈活性。當其與具備硬件高速性的的EPGA相結合時，優勢互補之下也能夠滿足于更高級別的需求。所以二者之間的結合能夠極大程度上促進系統軟、硬件之間的關系，同時在應對不同的算法之時，也能夠表現出較強的適應能力。

3.3 嵌入DSP模塊的EPGA

將DPS模塊嵌入到FPGA中，意味著FPGA與基本數字信號處理功能相銜接，在這樣的基礎上，使得FPGA所能提供的DSP性能有了質的飛躍，這也是當前主流DSP提高性能的有效選擇。

4 結 論

高效的控制方法一直以來都是電子電子電路領域的追求，這對于電路性能的提高也是必然的路徑。就當前電子電子電路的發展而言，數字化的控制技術無疑能夠極大的推動行業的進步，本文所述內容皆立足實踐，即圍繞電力電子電路的發展實際，就數字化控制技術的應用及今后的優化措施展開了簡要的探析，希望能夠通過想過要研究工作的開展，助力于電力電子電路領域未來的發展。