积木式电力电子技术开发平台

一、 系统概述
1. 平台优势
    当前电力电子技术开发平台往往针对特定拓扑类型，如常见的三相逆变器实验平台，由三相六开关管组成的固定拓扑，只能用于三相逆变场合；其他针对新颖拓扑的电力电子开发平台，由开关器件直接构成拓扑结构，无法用于其他拓扑的研究。该实验平台的搭建往往需要依据拓扑类型，再设计功率硬件、弱电控制、功率器件驱动、采样与控制等部分硬件电路，须全面考虑功率器件驱动电路的稳定性、弱电控制电路的可靠性、保护逻辑（过压保护、过流保护、过热保护等），以及优化主功率回路布线等以提升平台性能，大大延长了实验进程和技术开发周期，增加了开发成本。
    积木式电力电子技术开发平台是基于标准半桥模块的灵活组合式电力电子技术开发及实验平台。半桥拓扑是大多数电力电子拓扑的标准子拓扑，由标准半桥通过各种方式连接组合，可构成各种形式的电力电子拓扑，如全桥拓扑、MMC（Modular Multilevel Converter）拓扑、DAB（Dual Active Bridge）拓扑等。
    功率模块部分基于半桥拓扑，集成驱动电路、硬件保护逻辑、死区产生电路与温控风扇驱动等。采样和调理模块部分，集成了隔离采样与运放调理的多通道的采样调理，可依据拓扑控制需要灵活接入到实际电路中，实现隔离采样、固定变比（与示波器通道变比直接匹配）、通道个性化保护阈值以及多通道保护汇总等。控制器模块采用FPGA与DSP结合的硬件构架，由DSP核心板、FPGA核心板、ADC板和基板组成，具有数字资源和外部接口丰富的特点。只需将采样与调理模块的输出接到控制器的采样接口，将控制器输出的开关控制信号通过转接板模块连接到功率模块上便能实现对搭建系统的闭环控制。
    综上所述，积木式电力电子技术开发平台集成了可靠的驱动电路、控制器、采样调理电路等模块，可以快速搭建任何新颖的电路拓扑，进行实物验证，大大加快了实验进程，缩短研发周期。

2. 平台架构

（1）积木式搭建的功率模块由数个半桥功率子模块，以目标拓扑形式组合连接。每个半桥模块包含三个引出的强电端口，分别为半桥直流侧正极、半桥直流侧负极以及半桥中点。大多数拓扑都可由半桥模块组合而成，因此多个半桥功率模块可以任意互联，形成目标拓扑结构。半桥模块还包含弱电接口，可接受外部单路或双路PWM控制信号以控制半桥或分别控制上下两管，此控制信号与强电隔离，弱电接口也可向转接板传输故障信号等用作保护。
（2）多通道采样及调理模块由多通道电压霍尔板和多通道电流霍尔板组成，通过灵活可插拔的电压/电流测试端口，即可方便的接入到目标拓扑测试点。传感器实现强弱电隔离，调理模块输出的弱电信号及过压过流保护信号送入控制器模块即可实现闭环采样。
（3）信号转接板桥接控制器与功率模块，起信号光电隔离的作用，避免来自功率模块的干扰影响控制器。转接板上拥有上百路连接到功率子模块的接口，通过带有屏蔽层的多芯电缆可以连接上百个子模块。
（4）控制器采用DSP加FPGA构架，包含ADC功能，具有数字资源和外部接口丰富的特点，支持Matlab自动代码生成。控制器的IO口连接到信号转接板，控制器的ADC输入口连接到通道采样及调理模块的输出，实现系统的控制闭环。

二、 模块介绍
1. 功率模块
1.1 单路PWM半桥功率模块

功率模块由风扇、散热片、强电及驱动电路板和弱电控制板组成。

• 尺寸

• 接口

• 功能

① 只需单路PWM输入，产生两路互补且带死区的上下管驱动信号。
② 模块自带外部闭锁开关。
③ 自带上下两管的过流、过温保护及复位功能。
④ 风扇依据开关管温度自动启停。

1.2 单/双路PWM切换半桥功率模块

功率模块由风扇、散热片、强电及驱动电路板和弱电控制板组成。

• 尺寸

5cm×7cm×9cm

• 接口

共两组接口，三个强电接口，和两组12路弱电接口。
① 三个强电接口分别为半桥的上、下两端口及半桥中点。
② 两路相同的弱电接口，包含弱电供电，双路PWM输入信号，模块闭锁信号，模块故障清除信号，模块故障反馈信号，模块上下两开关管电流采样反馈信号。

• 参数

额定电压：150V
额定电流：25A（50kHz，50%占空比时）
开关频率：＜150kHz
电流保护值设定：30A
温度保护值设定：85℃
过流保护速度：<=4us
硬开关时管压降过充：<=8%

• 功能

① 可选择单路或双路PWM输入。选择单路PWM输入时模块自产生两路互补且带死区的上下管驱动信号，选择双路PWM输入时模块依据两路PWM输入分别独立驱动上下开关管。
② 模块自带外部闭锁开关。
③ 自带上下两管的过流、过温保护及复位功能。
④ 风扇依据开关管温度自动启停。

1.3 MMC半桥功率模块

功率模块由风扇、散热片、强电及驱动电路板、电容板、电压采样板、供电电源板、FPGA控制器小板和热管理板组成。

• 尺寸

4cm×11cm×12.7cm

• 接口

共三组接口，一组两个半桥MMC输出的强电接口，一组FPGA的JTAG接口，一组光耦隔离的FPGA通信接口。
① 两个强电接口分别为MMC的半桥中点及半桥直流母线的负极。
② 一组FPGA的JTAG接口。
③ 光耦隔离的FPGA通信接口，三路上行三路下行的光耦隔离后的信号。

• 参数

额定电压：100V
额定电流：15A（20kHz时）
电流保护值设定：18A
温度保护值设定：85℃
过流保护速度：<=4us
硬开关时管压降过充：<=8%

• 功能

① MMC基本功能，子模块自带FPGA控制器。
② 模块自带外部闭锁开关。
③ 自带MMC上下两管的过流、过温、过压保护及复位功能。
④ 风扇依据开关管温度自动启停。
⑤ FPGA接收来自上位机调制波，对模块进行PWM控制，可实现FPGA与上位机通信。

1.4 高压半桥功率模块

功率模块由风扇、散热片、强电及驱动电路板和弱电控制板组成。

• 尺寸

5cm×5cm×9cm

• 接口

共两组接口，三个强电接口，和12路弱电接口。
① 三个强电接口分别为半桥的上、下两端口及半桥中点。
② 弱电接口，包含弱电供电，单路PWM输入信号，模块闭锁信号，模块故障清除信号，模块故障反馈信号，模块上下两开关管电流采样反馈信号。

• 参数

额定电压：400V
额定电流：15A
开关频率：＜150kHz
电流保护值设定：18A
温度保护值设定：85℃
过流保护速度：<=4us

• 功能

① 只需单路PWM输入，自产生两路互补且带死区的上下管驱动信号。
② 模块自带外部闭锁开关。
③ 自带上下两管的过流、过温保护及复位功能。
④ 风扇依据开关管温度自动启停。

2. 多通道采样及调理模块
2.1电压霍尔板

• 尺寸

4cm×15cm×63.5cm

• 接口

① 一组16路强电电压输入接口，每路包含目标测量电压的正负接口各一个，可通过香蕉头快速插拔，任意并联到目标拓扑的测量节点。
② 一组16路经电压霍尔传感器测量得到的电压信号弱电输出口，每路的输出口均包含两个不同尺寸的同轴电缆接口，大尺寸接口可直接连到示波器的通道上，小尺寸接口可以连接到某些支持同轴电缆输入采样信号的控制器。
③ 一组D-Sub连接器，该连接器可将16路电压采样及调理后得到的弱电信号输出到控制器的ADC端口。
④ 一组霍尔板的保护逻辑输出与输入端口，该信号可与其他霍尔板的保护逻辑输出与输入端口串联，实现保护信号的汇总。

• 参数

采样输入强电电压范围：±1000V
采样输出弱电电压范围：±10V
电压保护值设定：各通道可调

• 功能

① 强电电压隔离采样。
② 每通道都可进行个性化保护值设置。可实现正负过压的保护。
③ 霍尔板故障信号可进行串联，实现对故障信号的综合。
④ 提供直连示波器及控制器的同轴电缆端口，可直接将采样值传输到示波器。
⑤ 每路都可通过两个可调电阻进行零漂和增益校准。


2.2电流霍尔板

• 尺寸

4cm×15cm×63.5cm

• 接口

① 一组16路强电电流输入口，每路包含目标测量电流流入和流出接口各一个，可通过香蕉头快速插拔，任意串联到目标拓扑的回路中。
② 一组16路经电流霍尔传感器测量得到的电流信号弱电输出口，每路输出均含有两种不同尺寸的同轴电缆接口，大接口可直接连接到示波器，小尺寸接口可以连接到支持同轴电缆输入采样信号的控制器。
③ 一组D-Sub连接器，该连接器可将16路电流采样及调理后得到的弱电信号输出到控制器的ADC端口。
④ 一组霍尔板的保护逻辑输出与输入端口，可与其他霍尔板的保护逻辑输出与输入端口串联，实现保护信号的汇总。

• 参数

采样输入强电电压范围：±100A
采样输出弱电电压范围：±10V
电流保护值设定：各通道可调

• 功能

① 强电电流隔离采样。
② 每通道都可进行个性化保护值设置，实现正负过流保护。
③ 霍尔板故障信号可进行串联，实现故障信号综合。
④ 提供直连示波器及控制器的同轴电缆端口。
⑤ 每路都可通过两个可调电阻进行零漂和增益的校准。

3. 信号转接板

• 尺寸

2cm*26.5cm*50cm

• 接口

① 4路外部保护信号输入接口，最多可以同时连接4路霍尔板的保护逻辑输出与输入端口，从霍尔板读取保护信号，执行保护动作闭锁功率子模块。
② 8个大接插件接口为继电器驱动的隔离接口，用于作为强电回路中的断路器或继电器驱动。
③ 4路D-Sub连接器用于与控制器通信，最上及最下的D-Sub接口接收控制器的PWM信号以驱动功率子模块，中间两个D-Sub接口分别为控制器数字信号输入和输出，输入的D-Sub接口用于传输控制器的子模块闭锁信号，以及对继电器的驱动信号，输出的D-Sub接口用于对控制器输出主电路故障状态信号。
④ 120路多芯电缆接口用于通过多芯电缆连接到子模块，实现控制器对功率子模块的控制及闭锁。
⑤ 6路用于供电的接线端子。

• 参数

120路功率模块接口；
8路继电器驱动端口；
4路霍尔板故障保护信号接口；
4个功能按键；

• 功能

① 实现控制器信号对功率子模块控制信号的桥接与隔离。
② 将功率子模块、霍尔板传来的故障保护信号进行综合，再与控制器传输来的闭锁信号综合，实现对单个功率子模块的闭锁。
③ 包含四路功能按键，其中一个按键用于对功率子模块故障信号的清零，其余三个将按键开关信号传输到控制器，可用于自定义功能。

4. 控制器模块
根据不同应用场景对控制器数字资源的需求，系统提供三种配置的控制器，分别是FPGA小板、FPGA大板和FPGA与DSP组合控制板。
4.1 FPGA小板
对控制器数字资源要求不高，但对控制器体积大小要求较高的情况下，可以选用体积小的FPGA单板，一般用于模块化变流器最-底层直接控制单个子模块的场景。

• 尺寸

0.7cm*3.5cm*4cm

• 接口

① 外部5V供电接口。
② JTAG接口。
③ 68路IO口，其中5路仅能用于输入。

• 参数

FPGA芯片型号：EP4CE15E22C8N
程序存储FLASH容量：64Mbit
通过锁相环倍频后正常工作时钟频率：300MHz

• 功能

① 作为控制器核心板，实现FPGA的基本功能。
② 拥有一个板上复位按键。
③ 多达68路的IO口用于外部通信。
④ 较高的FLASH存储空间。

4.2 FPGA大板
对控制器数字资源要求较高，对控制器输出信号路数要求较高的情况下，可选配逻辑资源较为丰富的FPGA单板，一般用于模块化变流器多个子模块形成组串的阀控制器。

• 尺寸

1cm*10cm*10cm

• 接口

① 外部5V供电接口。
② JTAG接口。
③ 319路IO口，其中13路仅能用于输入。

• 参数

FPGA芯片型号：EP4CE55F23I7N
程序存储FLASH容量：64Mbit
通过锁相环倍频后正常工作时钟频率：300MHz

• 功能

① 作为控制器核心板，实现FPGA的基本功能；
② 拥有一个板上复位按键；
③ 多达319路的IO口用于外部通信；
④ 较高的FLASH存储空间。

4.3 FPGA与DSP组合控制板
对控制器数字资源、输出信号路数以及ADC采样路数要求很高的情况，可适配FPGA与DSP组合控制板，一般用于大规模复杂电力电子系统的顶层控制器。

• 尺寸

2cm*36cm*25cm

• 接口

① 32路带隔离的AD采样输入。该接口输入电压范围±10V，经过隔离运放产生与外部隔离的AD采样信号。
② 4路D-Sub接口，连接到FPGA的IO口，用于连接信号转接板或外接的光纤板，可传输多达96路信号。
③ 1组FPGA外部扩展口，包含AD拓展口，通过适配接口，可再外扩8路AD板。
④ 3路光耦隔离的逻辑输入输出口和开漏输入输出口，前两者可用于隔离的通讯，后者可用于外部继电器的隔离驱动。
⑤ 1组DSP扩展口。该扩展口包含DSP的I2C通讯接口、CAN通讯接口、SPI通讯接口、外部中断接口及ECAP接口，也可复用为普通GPIO口。

• 参数

① AD通道数：32路隔离AD输入通道，包含16路ADC采样板的输入和16路DSP的AD端口输入。16路可外部扩展的AD通道；
② AD输入电压范围：±10V；
③ AD输入隔离与调理延迟：1us；
④ ADC板接口数：4个，其中两路用于外接ADC板；
⑤ D-Sub接口信号数：96路；
⑥ DA外部扩展接口：1个；
⑦ DSP外部引出口：32路，可复用做通讯和普通IO口；
⑧ FPGA外部引出口：65路，其中23路可做外挂AD口与普通IO口的复用，32路做外挂AD口、外挂DA口与普通IO口的复用，其余10路为普通IO口；
⑨ 隔离的逻辑接口：10路光耦隔离逻辑输入，8路光耦隔离逻辑输出；
⑩ 隔离的开漏输出接口：8路，可用于外部继电器或断路器的驱动。

• 功能

① 实现DSP和FPGA的联合工作，DSP与FPGA以数十个IO口相互连接，可实现数据的交互。
② 丰富的外部扩展口，拥有强大的复用功能，可以除了基板自带的两块AD板插口外再外接2块AD板和一块DA板。
③ 可自由选配更换不同型号的DSP、FPGA、ADC型号，只要接口保持一致。
④ DSP和FPGA均拥有单独引出的IO口，可单独使用DSP或FPGA。
⑤ D-Sub口还可适配光纤板，实现光电信号转换。

三、 典型应用