基于FPGA的数字化逐波电流限制系统及保护方法与流程

本发明涉及电力电子开关器件过流保护领域，具体涉及一种基于FPGA的数字化逐波电流限制系统及保护方法。

背景技术：

随着电力电子器件和控制技术的不断发展，电力电子变换系统在工业电气驱动、交通运输、电力系统、通信系统，以及新能源领域均得到了广泛应用。并且开关器件的电压等级和电流等级也越来越高，对电力电子变换系统的安全稳定运行能力的要求同样也有严格要求。而在实际应用中，主电路可能出现短路或电流突然的波动，虽然可以利用电力电子器件自身提供的过流保护电路实现过流的判断，并由控制系统完成开关器件的闭锁，但是电力电子器件自身过流保护的门槛值高，且不能进行灵活调节，同时受闭锁电路和控制系统固有的时间延迟，也会导致保护过程执行时间较长。因此，当出现过流问题后，对电力电子开关器件的过流冲击影响很大。

较为理想的办法是，采取逐波电流限制的方法，但是目前在该技术上的实现方法主要以模拟电路实现为主，相比利用微处理器的定时采样而言，模拟电路速度快，可以快速实现限流功能，但是模拟电路也存如下的问题：（1）模拟电路设计较为复杂，不便于后期升级。且模拟电路实现多个开关器件的逐波限流保护时，每个器件均需要配置独立的电路，系统复杂程度提高。（2）模拟电路难以实现复杂的算法和容错功能。（3）模拟电路中，过流数值、过流返回数值、最小脉宽数值一旦设定，不能实现在线修改，复杂的信息难以与微处理器进行交互。（4）模拟电路仅仅完成逐波限流功能，控制系统仍然需要。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于FPGA的数字化逐波电流限制系统及保护方法，使得逐波电流限制系统具有更高的灵活性、安全性和可靠性。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于FPGA的数字化逐波电流限制系统，它包括电流测量电路、电力电子开关器件和开关器件驱动电路，其特征在于：它还包括模拟变换电路、AD转换电路和FPGA芯片，其中电流测量电路检测到的开关器件的电流，经模拟变换电路变换成为适合AD转换电路采集的信号，由AD转换电路转换为数字信号，FPGA芯片获取该数字信号，进行过流判断，输出脉宽信号占空比给开关器件驱动电路驱动电力电子开关器件。

按上述系统，所述的电流测量电路为电流传感器、光电互感器或霍尔器件。

按上述系统，所述的电力电子开关器件为若干个，每个电力电子开关器件对应有一组电流测量电路、开关器件驱动电路、模拟变换电路和AD转换电路，每个AD转换电路分别与所述的FPGA芯片连接，FPGA芯片分别与每个开关器件驱动电路连接。

按上述系统，它还包括用于分担FPGA芯片算法的微处理器，与所述的FPGA芯片连接。

一种基于FPGA的数字化逐波电流限制系统的电流保护方法，其特征在于：它包括以下步骤：

信号采集：采集模数转换后的电力电子开关器件的电流信号；

脉宽信号占空比正常值计算：正常状态下，电力电子开关器件的电流信号小于或等于过流设定值，通过所述的电流信号计算脉宽信号占空比正常值；

电力电子开关器件的电流信号判断与控制：当电力电子开关器件的电流信号大于过流设定值时，将脉宽信号占空比降为预设的最低值发送给开关器件驱动电路，直到电力电子开关器件的电流信号小于过流返回设定值时，将脉宽信号占空比恢复成脉宽信号占空比正常值。

按上述方法，同时采集若干个电力电子开关器件的电流信号，分别进行控制。

按上述方法，所述的脉宽信号占空比正常值计算，由微处理器完成；电力电子开关器件的电流信号判断与控制，由FPGA芯片完成。

按上述方法，信号采集时，模数转换的采样频率为100kHz-1Mhz。

本发明的有益效果为：

1、利用数字化方法实现逐波电流限制，FPGA的运算速度极快（可达到几十MHz，且运算功能较强），逐波限流功能可以加入更为复杂的算法，以及高效的容错机制，使得逐波电流限制系统具有更高的灵活性、安全性和可靠性。

2、选用多通道的AD芯片后，可一次实现多个开关器件的电流检测，实现多个开关器件的逐波电流限制。

3、在控制多个电力电子开关器件时，通过增加微处理器来完成脉宽信号占空比的计算，FPGA可及时向微处理传送信息，微处理器与FPGA并列运行，进一步提高系统的安全稳定性。

附图说明

图1为本发明一实施例的系统原理框图。

图2为本发明又一实施例的系统原理框图。

图3为开关器件驱动信号生成示意图。

图4为本发明一实施例的方法流程图。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

实施例一：

如图1所示，一种基于FPGA的数字化逐波电流限制系统包括电流测量电路、电力电子开关器件和开关器件驱动电路，还包括模拟变换电路、AD转换电路和FPGA芯片，其中电流测量电路检测到的开关器件的电流，经模拟变换电路变换成为适合AD转换电路采集的信号，由AD转换电路转换为数字信号，FPGA芯片获取该数字信号，进行过流判断，输出脉宽信号占空比给开关器件驱动电路驱动电力电子开关器件。

一种上述基于FPGA的数字化逐波电流限制系统的电流保护方法，如图3和图4所示，包括以下步骤：

信号采集：采集模数转换后的电力电子开关器件的电流信号；

脉宽信号占空比正常值计算：正常状态下，电力电子开关器件的电流信号小于或等于过流设定值，通过所述的电流信号计算脉宽信号占空比正常值；

电力电子开关器件的电流信号判断与控制：当电力电子开关器件的电流信号大于过流设定值时，将脉宽信号占空比降为预设的最低值发送给开关器件驱动电路，直到电力电子开关器件的电流信号小于过流返回设定值时，将脉宽信号占空比恢复成脉宽信号占空比正常值。

所述的电流测量电路为电流传感器、光电互感器或霍尔器件，可以实现电流测量的器件，测量的电流信号可以是交流量也可以是直流量。例如选择LEM公司的LT208-S7作为测量原件，其原边额定测量电流为200A，副边额定有效值为100mA。

模拟变换电路，按照所选择的LEM电流传感器，该模拟变换电路需要将100mA的电流信号进行滤波、调理和放大，变换得到合理的电压，提供给A₃AD变换芯片所能够接受的合理电压范围。考虑到裕度100mA变换成5V比较合适，那么A₂模拟变换电路的变比为40A/V。

开关器件驱动电路接受来自FPGA芯片的脉宽控制信号并完成电力电子开关器的驱动控制。驱动电路可选择，CONCEPT公司的双通道、紧凑型驱动模块2SC0108T。开关器件可选择EUPEC公司的FF200R12KS4，额定电流为200A。

实施例二：

本实施例的基本原理与实施例一相同，其不同之处在于：如图2所示，所述的电力电子开关器件为若干个，每个电力电子开关器件对应有一组电流测量电路、开关器件驱动电路、模拟变换电路和AD转换电路，每个AD转换电路分别与所述的FPGA芯片连接，FPGA芯片分别与每个开关器件驱动电路连接。

其中若干个AD转换电路可以集成为AD芯片，用户可以根据实际对象要求确定AD芯片的通道路数、采样位数和采样速率。当AD芯片为多路时，可以同时完成多个开关器件的电流采样，为实现多个器件的逐波电流限制提供支持。例如AD芯片可以为AD7606，该芯片可以同时完成8路16位的AD变换。

FPGA芯片电路完成AD芯片的数据采集，以及逐波限流保护算法。FPGA芯片可以为任何公司或者品牌的芯片。根据程序算法的容量，以及完成功能选择合适大小即可。且FPGA还可以根据用户需求，编写各种控制算法和容错算法。如果有多个器件，则FPGA可根据实际情况设置更多的控制端口。FPGA芯片可选择Xilinx公司的Sprtan6系列的xc6slx45t系列芯片。

在控制的电力电子开关器件较多时，单纯的靠FPGA芯片计算量可能过大，此时增加一个微处理器来辅助FPGA芯片进行计算。微处理器，可以为任何公司或者品牌的芯片，可根据用户功能，以及完成功能进行选型与设计。例如：可选择TI公司28335型号DSP芯片。

本实施例的基于FPGA的数字化逐波电流限制系统的电流保护方法，同时采集若干个电力电子开关器件的电流信号，分别进行控制。所述的脉宽信号占空比正常值计算，由微处理器完成；电力电子开关器件的电流信号判断与控制，由FPGA芯片完成。按照以上具体设计，假设逐波电流限制的过流值为200A，过流返回设定值为180A，其具体包括以下步骤：

步骤1：AD采样，得到实时的电流，并且判断电流是否大于过流值200A，若大于则进入步骤2，否则不进行任何控制，只对电流进行监测。

步骤2：若电流大于200A，则立刻开放逐波电流限制，将占空比设定为1000，并通过开关器件驱动电路完成电力电子开关器件的控制，并且将所需信息传送给微处理器。随着较小占空比的设定，电流会逐渐减小。当电流小于过流返回设定值180A时，进入步骤3。

步骤3：FPGA中的逐波电流限制功能退出，开关器件的占空比维持原值不变。

优选的，模数转换的采样频率为100kHz-1Mhz，其速度取决于AD芯片转换速度，以及FPGA的运算速度。模数转换的采样速度越快，控制精度越高，但是AD芯片的成本也高，可根据应用场合择优选取。

本发明利用数字化电路取代传统的模拟比较电路完成电力电子器件的逐波限流功能，其可行性与特点包括：

（1）AD芯片采样率已经达到数百kHz，甚至MHz级别，利用数字化方法实现逐波电流限制，与模拟电路相比，采样部分已经没有技术上的阻碍，且选用多通道的AD芯片后，可一次实现多个开关器件的电流检测，为实现多个器件的逐波电流限制提供支持；

（2）利用软件程序实现传统的模拟电路式逐波限流电路，避免了复杂的模拟电路设计，可以同时实现多个器件的逐波电流限制保护，且后期也可方便实现系统功能升级；

（3）数字化后，逐波限流功能可以加入更为复杂的算法，以及高效的容错机制，可进一步提高系统的安全稳定性；

（4）FPGA可与微处理器交互信息，逐波限制电流的过流数值、返回数值，以及最小脉宽的数值均可以根据不同应用对象进行离线或者在线修改，发生过流事件以及过流返回后，FPGA也可及时向微处理传送信息，由此可进一步提高控制系统性能；

（5）微处理器型号可以根据要求进行选取，与FPGA并列运行，FPGA也可以编写控制算法，脱离微处理器单独运行。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。