電力電子電路中的數字化控制技術分析

摘要：目前，電力電子電路中運用的數字化控制技術有很多，主要涉及單片機、數字信號處理器（Digital"Signal"Processor，DSP）、SG3525"芯片和可編程門列陣（Field-Programmable"Gate"Array，FPGA）等，可根據電力電子電路的實際情況，有效調控電子電路的工作頻率，提高電路控制性能。主要對電力電子電路中數字化控制技術的具體應用與FPGA的運用實踐進行了分析，以期為優化電力電子電路控制系統提供參考。

關鍵詞：電力電子電路""數字化控制技術""控制芯片""故障檢測

Analysis"of"Digital"Control"Technology"in"Power"Electronic"Circuits

TANG"Xinyan

Shandong"Huayu"Aerospace"Space"Technology"Co.，"Ltd."Yantai，"Shandong"Province，"264000"China

Abstract："There"are"many"digital"control"technologies"currently"used"in"power"electronic"circuits，"mainly"involving"microcontrollers，"Digital"Signal"Processor（DSP）"SG3525"chips，"and"Field-Programmable"Gate"Array（FPGA），"which"can"effectively"regulate"the"operating"frequency"of"electronic"circuits"and"improve"circuit"control"performance"according"to"the"actual"situation"of"power"electronic"circuits."This"article"mainly"analyzes"the"specific"application"of"digital"control"technology"in"power"electronic"circuits"andnbsp;the"practical"application"of"FPGA，"in"order"to"provide"reference"for"optimizing"power"electronic"circuit"control"systems.

Key"Words："Power"electronic"circuits;"Digital"control"technology;"Control"chip;"Fault"detection

電力電子電路融合了多種先進技術，在計算機和數字化控制技術的支持下，能夠有效控制多種電力電子器件。與傳統模擬控制技術相比，數字化控制技術的應用優勢更為明顯，可以單獨控制各項參數，不易出現溫度漂移的問題，而且還能夠直接調節控制規律，無須借助硬件設備，整體的經濟性良好。數字化控制技術的應用可以及時發現和快速解決故障問題，能夠實現無人監管和集中監控，有效完成電力電子電路調節、控制、故障檢測等動作，進一步提高了整個電力系統功能運行的可靠性，應加強持續、深入研究。

1""數字化控制技術的應用優勢

電力電子技術在快速發展中，電路系統中運用的電子器件和技術得到了更新，數字化控制技術的應用可以實現對整個電路系統的全面控制，具體應用過程中能夠對微分系數和積分等進行參數調節，對整個電路進行靈活控制，還可以通過調節代碼的方式來改變控制的規律，無須在電路中安裝其他設備，在一定程度上減少了電力電子電路系統運行成本的投入。同時，數字化控制技術也能提高電力電子電路分析數據和解決故障的能力，自動存儲各類運行數據，并可以有效運用到故障分析中。數字化控制技術在計算機技術的支持下為電路系統與上級系統通信提供了有力支撐，可以實現對整個電力系統的自動監控與管理。另外，基于數字化控制技術的電力電子電路控制系統，實現了硬件控制向軟件控制的轉變，方便信號調節、故障檢測和開關期間調控，無須進行復雜煩瑣操控，也可保障電力電子電路系統的可靠運行[1]。

2""電力電子電路中的數字化控制技術

2.1單片機的應用

單片機一種具備邏輯功能的微控制器，具有體積小、質量輕的特點，是計算機運行中的重要功能芯片，為計算機系統軟件開發和應用提供理論支撐，而且也能夠對電腦系統內部構造和運行原理進行深入分析。單片機在電力電子電路中的應用優勢較為明顯，推動了電力系統發展。其主要應用于電子電路中各項數據參數的運算處理方面，也可以有效調節電壓電流，為整個系統穩定、持續運行提供保障。在現代科學技術飛速發展的過程中，數字化控制技術水平也得到提升，對DC變換器的控制方式也發生改變，可利用雙調制高頻脈寬調制（Pulse"Width"Modulation，PWM）控制方法，切實提高了控制精度，同時也可以滿足高頻要求，改善了以往控制方法應用中存在的矛盾。另外，單片機不但可以應用到電力電子電路中，還可以滿足智能儀器、工業測控、生活家電等方面的應用需求，可獲得良好的應用效果。將單片機運用到電力電子電路調控當中，能夠改進傳統模擬控制系統中不足，實現了電路技術的創新突破，利用數字化控制技術提高了電路性能和控制效能，工作效率也得到提升[2]。但是，單片機在實際運用過程中也需要進行技術層面的持續升級，有效調控好工作頻率和控制精度之間的關系，降低單片機在數據量較大情況下失誤問題的發生率，使單片機得到高效運用，從而更好地滿足電力電子電路控制需求。

2.2"SG3525芯片的應用

SG3525芯片具有較高的性能優勢，應用期間的功能性良好，安全性也可以得到保障，能夠實現對電源欠壓的有效保護，還能夠滿足電路系統的軟啟動控制要求。由于SG3525芯片是由驅動電路構成，在實際應用過程中應充分考慮電磁干擾問題，所以需要控制好其與主開關變換器之間的距離，降低電磁信號對驅動脈沖頻率的影響。要想協調好二者的關系，在實際應用過程中需要適當增加振蕩器的充電電容，以此來平衡放電電阻，以免出現數值過高的情況，為后續電力電子電路的正常運行提供保障。SG3525芯片應用中容易發生驅動脈故障問題，成為芯片應用過程中需要注意的問題。一般情況，電力電子電路系統運行期間通常表現為隔離室驅動，而SG3525芯片的驅動能力不足，也要想更好地滿足電路驅動要求，可通過增加放大電路的方式為整個系統信號的安全傳輸提供保障[3-4]。

2.3"可編程門列陣的應用

可編程門列陣（Field"Programmable"Gate"Array，FPGA）是從可擦除可編程邏輯器件Erasable"Programmable"Logic"Device，EPLD）、GAL（Generic"Array"Logic）編輯器發展而來的一種新型控制技術，將其應用到電力電子電路控制系統中，能夠滿足集成電路的發展要求。FPGA的電路數比較多，其屬于重構器件，而且內部邏輯功能比較強，在實際應用過程中可根據使用者的不同需求有針對性地進行設定，從而實現集成管理，還能快速處理各類數據信息，在電力電子電路領域得到了廣泛應用。FPGA中涉及較多的等效門，能夠對復雜的邏輯進行快速、科學處理，從而實現集成處理，有利于形成多塊集成電路。與此同時，將FPGA與VHDL（Very-High-Speed"Integrated"Circuit"Hardware"Description"Language?）技術相結合，能夠對整個電路系統進行優化設計，一般可以分成3個層次，在條件允許的情況下，電路系統可在數字化控制技術的作用下對不同層次內容進行混合仿真，檢驗FPGA的應用效果，從而進一步提高相關技術在電力電子電路中應用的可靠性，保障電路系統安全穩定運行[5]。

3""可編程門列陣在電力電力電路中的實踐應用

3.1基于可編程門列陣的采樣控制

要想充分發揮可編程門列陣在電力電子電路中的應用優勢，則需要準確獲取信號數值，實現高頻采樣。為保證采樣控制頻率滿足電路系統控制要求，還應注重對可編程門列陣的科學設置。可選擇6通道采樣轉換芯片AD7656進行設計，該芯片的吞吐速率加快，而且無須消耗較多功率，整體運行期間不會產生較大噪聲，可滿足12"MHz的輸入速率處理要求。在利用FPGA控制采樣轉換時，可將CONVST/CS/RD引腳輸出至采樣芯片，由于控制系統運行中需要進行采樣轉換的數字信號有很多，可通過增加芯片的方式來拓展采樣通道數量，芯片與可編程門列陣的連接方式如圖1所示。

圖1"AD7656與"FPGA"連接方式

為了向AD7656芯片輸出控制信號，方便快速讀取數據信息，在進行采樣控制FSM設計時應保證具有采樣轉換和讀取數據功能。若通過FSM讀取到的數據直接傳輸到FPGA引腳，容易對整個系統的穩定性產生影響，還需要不同模塊之間能夠協調配合，通常會運用直接緩存和存儲器緩存的方式來管理采樣數據，并合理設計基于可編程門列陣的采樣控制邏輯，如圖2所示，有利于維護數據、拓展通道，還能提高可編程能力與系統兼容性。

圖2"基于可編程門列陣的采樣控制邏輯

3.2基于可編程門列陣的保護機制

運用FPGA器件對電力電子電路系統進行保護，不會受到周期限制，也不用按照順序執行各項指令，能夠迅速響應保護電路系統，與其他串行控制器相比保護控制效果良好，而且適用于電力電子電路運行中各種故障類型的保護，所以可根據實際需要設計通用保護機制。基于FPGA的保護機制在運行中，首先要判斷故障反饋信號，而后產生脈沖封鎖信號，最后執行脈沖封鎖。電力電子電路系統運行中的故障信號主要分為軟件故障信號和硬件故障反饋信號。保護機制運行期間需保證時效性，所以一般會運用IO直連的方式將故障信號傳輸到FPGA，其中硬件故障反饋信號容易受到多方面因素的干擾而出現不穩定的現象，一般會對這類信號進行邏輯處理。由于電力電子電路系統運行中會出現多種硬件故障，通常會對不同路的反饋信號來判斷是否出現故障問題。若軟件故障信號為高電平有效，那么在某一路傳輸信號為高電平或出現STOP_OUT信號時，會產生脈沖封鎖信號。一旦出現故障問題，容易發生開關信號錯誤驅動主電路工作的情況，所以需要使用數據多路選擇器來清零PWM信號。整個過程的邏輯設計可形成數字控系統保護機制，而且獨立于其他控制任務，可實現對整個電路系統的有效保護，機制運行的時效性也能夠得到保障，還能根據實際需要拓展設計通道，以此提高電路系統故障保護功能。

3.3"FPGA控制器控制策略實現

在進行可編程門列陣全數字化電力電子電路控制器設計時，應確定具體的設計方式，先進行邏輯層面的設計，再利用電子設計自動化（Electronic"design"automation，EDA）工具完成門電路級硬件設計，要從提高數字化控制水平的角度出發，適當分解控制任務，并形成相互獨立的控制功能模塊，再利用計算機軟件技術進行模塊化設計和仿真驗證，確定通過驗證后，將不同子功能模塊整合在一起，實現集成控制。在設計階段要遵循FPGA控制器的參數化模塊化設計、面積與速度綜合考慮、頂層模塊時序調度等原則，并通過搭建三級電力電子參數化IP核庫、合理安排資源開銷與計算速度、設計使能夠基于運算完成標志位以及構建頂層時序調度協調機制的方式來完成FPGA全數字電力電子變換控制器設計，實現電力電子IP核的合理選擇，進行頂層IP核觸發時序設計，可滿足各類電力電子電路數字控制系統設計要求。

4"結語

總而言之，數字化控制技術的合理運用提高了電力電子電路的高效控制水平，改善了電路性能，實現了自動化、智能化調控，可推動整個行業進一步發展。雖然多種數字化控制技術的應用可改善傳統模擬控制電路中的問題，但也存在一些不足，要想實現拓展運用，還應加強對電力電子電路控制技術的持續深入研究，注重多種控制芯片和技術的混合運用，彌補各自的不足，提高電路控制性能，整個過程可以充分發揮數字化控制技術的優勢效能，為電力電子電路發展提供有力支撐。

參考文獻

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[3]簡榕杰.電力電子系統在控制技術中的應用策略研究[J].計算機產品與流通，2020（4）：110.

[4]唐金鑫."集成電路用氣動液體隔膜閥的流體特性及其閥芯結構改進研究[D].鹽城：鹽城工學院，2023.

[5]董嘯宇."集成電路可靠性仿真方法研究[D].西安：西安電子科技大學，2023.