《模块化多电平变换器的功率电路及控制电路设计综述》7900字

模块化多电平变换器的功率电路及控制电路设计综述目录TOC\o"1-2"\h\u20250模块化多电平变换器的功率电路及控制电路设计综述 1295781.1功率电路系统设计 150731)功率电路系统结构 1278162)子模块电容参数设计 2199133)桥臂电感参数设计 2239134)开关器件选型 3296181.2控制电路系统设计 317361)控制电路系统结构 370122)控制器选择 4176353)PWM光纤传输电路 4244824)驱动电路 587375)采样及调理电路 6228125)模数转换器选择 8216886)数模转换器选择 11277577)过流保护电路 131.1功率电路系统设计1)功率电路系统结构图4-1是功率电路实物图的接线图，图中KMx是接触器，都为常开开关，其中KM2和KM3是两开关联动的常开开关，KM1、KM2和KM3用于控制MMC系统启动预充电和正常工作之间的切换，KM4用于在系统停机时,对电路中所有电容放电;HVx是电压传感器，用于测量MMC各处的电压，包括子模块电容电压和交流侧输出电压;HCx是电流传感器，用于测量MMC桥臂电流和交流侧输出电流[21]。MMC功率电路中的桥臂电感以及子模块的开关管和电容参数对子模块电容电压波动大小、环流以及系统的运行安全有重要影响，因此需要对这些参数进行分析设计，设计方法如下。图4-1单相MMC实验平台功率电路接线图2)子模块电容参数设计MMC子模块电容大小会影响其电容电压波动，如果子模块电容过小，使其充放电过程过快，进而使其电压波动范围变大，会影响MMC输出性能以及系统安全性;如果子模块电容过大，则使其充放电过慢，会导致系统的动态性能会变差，同时电容容量越大，意味着电容体积越大，相对而言，成本也更高，此时当MMC每个桥臂上的子模块较多时，则子模块电容会使MMC系统的整体体积和成本大大增加[22]。因此,选择容量合适的子模块电容尤为重要。综合考虑以上因素，定量分析子模块电容大小与调制度、每个桥臂上子模块的数量、系统的功率大小以及子模块电容电压的波动系数等的数学关系，推导得到了MMC子模块电容值的计算公式为:C≥式中,为该电控系统所采用设计中的单相桥臂mmc的额定进入输出电流功率;n为一个在单相桥臂电路上的子容器模块的总数量;其值为子容器模块中一个电容器的参考值;。为子电路模块的输出电容量和电压所提供允许的频率波动。o为系统的偏心旋转角度和频率;为函数mmc的一个基本功率因子函数;m为调制度。由该式可计算得到子模块电容的最小值,进-步综合上述因素确定子模块电容的具体值[23]。MMC仿真模型直流母线电压为200V,后续做实验直流源最大也可达到200V。但是,设计MMC实验平台时，为了兼容后续实验，将直流母线电压提升至800V，即设计单相MMC的额定功率Pm=7.5kW;子模块电容电压的参考值Uc_ref=200V;设置其波动系数ε=5%,则波动量∆uc=10V;系统角频率∞=2πf=314rad/s;MMC的功率因数cos3)桥臂电感参数设计mmc每个桥臂上都有一个电感,该个谐波电感在mmc正常工作运行时,可以通过降低桥臂上电流的谐波含量,减小mmc的相间环流;在mmc系统中一旦发生短路故障时,桥臂的电感可以通过降低桥臂的电流增加和下降速度,从而降低短路故障的电流。分析得到,桥臂电感的计算公式为:L=U式中,为子电路模块的最大电容量为电压在模块允许的电流波动频率范围内的最高工作电压;m为协议可调度;fk为整流开关的工作频率;△iarm_max为流在该模块桥臂上的最大电流及其纹波最大波幅值,计算公式中的表示定义为:∆i式中，IN为交流侧输出电流额定值;UN为交流侧输出电压额定值;LC>在本系统设计中，子模块电容电压允许波动范围内的最大电压Uc_max=Uc_ref+∆Uc=210V;设计桥臂电流纹波系数2=35%,设计uN4)开关器件选型开关管是所有电力电子装置的核心部件,由于IGBT的优良性能以及适用场合,本实验平台所有开关管选用IGBT。首先要确定一个开关管的耐压等级,根据英飞凌公司自己编著的相关书籍《igbt模块:技术、驱动和应用》中所述的直流母线电压与开关管耐压等级之间对应的关系我们就可以分析得出,在直流母线的电压范围为800v时,器件的额定电压应该是选择1200v[25]。其次,需要首先确定一个开关管的电流额定值,选取的开关管电流额定值应该远远大于输出电路中的峰值输出电流,而在交换器中使用的功率开关管在输出时流过的峰值输出电流的计算公式如式(4-4)所示。峰值电流=系统容量根据(4-4)计算电流峰值为：I因此，应选择额定电流值大于23.2A的IGBT。参考上述计算值，根据IGBT型号,选择Semiconductor公司1200V/40A的单管IGBT，具体型号为FGL40N120AND。1.2控制电路系统设计本控制系统是采用了模块化的设计,控制系统可以分为:主要控制器电路板、辅助控制器电路板、采样调理电路板、PWM光纤传输电路板以及总线连接电路板,每个电路板有不同的功能以及电路系统[26]。主控制器的电路板主要目标就是以arm作为设计的核心,设计其中的最小控制系统以及与其他辅助控制器的电路板之间进行通讯的接口;辅助控制器的电路板主要特点就是以fpga作为设计的核心,设计其外围电路,包括最小控制系统、外部可扩展的模数转换器(analog-to-digitalconverter,adc)和数模转换器(digital-to-analogconverter,dac)、串口通信、pwm信号通过rj45网线接口与其它输出端口以及与其他电路板之间进行通信的接口或者数据传输的接口;pwm光纤传输电路板主要负责把从辅助控制器电路板传输出来的pwm信号,经过光纤传输发送端电路后再进行处理;采样调理电路板的功能是将电压电流传感器对采样得到的电压电流信号作出一个调理值,使信号的大小和幅值能够满足ADC的模拟输入要求,该电路板.上也设计有硬件过流保护电路,来保证MMC的安全可靠运行;总线连接板的作用是将所有控制电路板通过总线接口连接起来[27]。该控制电路系统可作为通用控制系统平台,不仅能够满足对MMC的控制,也可作为其它电力电子装置的控制系统。1)控制电路系统结构MMC有输出电平数目多等诸多优点,但是其控制系统相比传统多电平变换器较为复杂,尤其是MMC拓扑的子模块数量较多,意味着开关管的数目众多,则控制器就需具备丰富的I/O资源以及强大的数据运算和处理能力。基于此,MMC的控制系统通常采用主、辅控制器相结合的方式设计,各自负责不同的工作,本系统采用ARM+FPGA的控制器架构设计。当控制器经I/O端口产生PWM信号经过驱动电路控制功率单元时,如果传输距离过远则可能会对PWM信号产生干扰,进一步可能导致开关管误导通,因此选用光纤传输来消除此影响。针对上述选用的IGBT型号设计了驱动电路,保证该开关管可靠导通。本系统对所有的交直流电压和电流信号都是使用了电压霍尔和输出的电流霍尔来进行采样,经过一个调理电路,送入adc进行了数字化的处理。由于mmc需要采集的是电压和输出的电流信号,因此其中的频率较多,采用外部扩展ADC的方式进行设计,来满足系统数据转换的需求[28]。同时,以防系统因电流过大,而导致整个系统出现故障,甚至对整个MMC实验平台造成不可逆的损毁,在此控制系统中设计了相应的硬件过流保护电路。下面将对不同部分的控制电路详细说明其设计原理图以及工作过程。2)控制器选择arm软件具有系统操作速度快、外部设备硬件资源丰富以及内部操作系统软件运行稳定等三大特点,尤其以ST公司为代表的STM32系列处理器，程序编写更为简单，目前官方提供有编写程序的库函数以及外设配置软件，可直接生成外设配置代码，大大提高了软硬件的开发周期。FPGA逻辑运算能力强，具有丰富的逻辑单元和I/O资源，可灵活配置I/O端口的功能和扩展各种外设[30]。因此，本文以ARM作为主控制器，FPGA作为辅助控制器的控制器架构来设计MMC的控制系统。无论是从控制器的处理速度和处理能力，以及I/O的数量都能满足系统要求。a)主控制器st公司自2007年推出第一款stm32控制器以来,先后生产和发展了stm32f0/f1/f2/f3/f4/f7/h7等相关系列产品。其中,stm32h7系列包括stm32h743/753等,它们都是st公司于2016年推出的新型处理器产品,它的特点和优势主要有:更为先进的处理器和内核,基于armcortexm7内核的处理器;更丰富的外设,拥有高达1060kb的片内sram,并且支持sdram,带有tftlcd控制器,16位adc、12位dac以及dma数据传输等;更高的工作性能,stm32h743芯片全部采用6级工作流水线,最高工作时间为主频延迟可达400mhz,是此前工作性能最高的stm32f7系列的两倍,是stm32f4系列控制器的4倍;而且stm32h7系列芯片本身都自带双精度硬件浮点单元,在我们要做数字信号处理的情况下,就会具备比较好的特性;同时该系列芯片拥有灵活存储控制器(FlexibleMemoryController,FMC),该功能可使它与其它芯片之间的通信变得简单高效。正因为stm32h743zit6芯片本身具有上述这些优点,选其为主要的全局控制芯片,承担着系统的各种全局控制算法,如环流控制、并网控制、电压和输出的双闭环控制等,涉及到在全局控制技术中涉及到控制系统的各种设计和应用,运算产生系统所需要的调制波,同时承担与辅助控制器进行通信等。b)辅助控制器FPGA拥有丰富的逻辑单元，使用者可以对它进行编程，根据自身需求实现不同的电路功能;FPGA在对数字信号进行处理时，可以并行运算处理，因此它具有效率更高、速度更快的优点;同时，FPGA开发难度相对较小且开发周期更短，更适合应用于数据量巨大且计算复杂的应用场合。本文设计的实验平台控制系统辅助控制器选用Altera公司CycloneIII系列的FPGA,具体型号为EP3C25Q240C8N，该型号芯片拥有数量可观的逻辑阵列单元、I/O资源以及内存，可满足MMC系统的要求。FPGA作为辅助控制器的主要功能是:编程生成载波,进而实现相应的调制策略以及对应的子模块电容电压均衡控制方法、完成PWM脉冲的产生与分配以及死区控制、外扩ADC和DAC控制、系统的过压过流保护、故障诊断与处理以及主控制器进行通信等。3)PWM光纤传输电路图4-2是PWM光纤传输电路原理，该电路主要负责将从辅助控制器电路板传输过来的PWM信号,经过光纤传输发送端电路进行处理，之后通过光纤跳线将PWM信号传输到光纤传输接收端电路进行处理。设计光纤传输电路的目的是为了防止当功率电路和控制电路距离过远时，PWM信号被衰减或者受到干扰，而导致功率开关管误动作。光纤传输接收电路光纤传输发送电路图4-2PWM光纤传输电路原理图4-2(a)是光纤传输接收电路，该电路的工作原理是:当PWM信号为高电平时，DS75451输出为高电平;当PWM信号为低电平时，DS75451输出为低电平，经光纤发射模块HFBR1521发出PWM信号。图4-2(b)是光纤传输发送电路，主要是通过光纤接收模块HFBR2521接收PWM信号，进而经接收到的PWM信号传输给下一级驱动电路HFBR2521模块各引脚的功能该模块的数据手册有详细说明,本文设计的原理图在输出引脚接有上拉电阻。4)驱动电路图4-3是功率开关管驱动电路原理，其中，图(a)是驱动电路，该电路主要由驱动光耦芯片TLP5754、驱动电阻等组成;图(b)是驱动光耦芯片的供电电路，该电路是通过电源模块QA01以及外围配置电路,实现对驱动光耦芯片供电。驱动光耦芯片的工作原理是1引脚的电压高于3引脚的电压则光耦内部的发光二极管导通，此时5引脚输出有效电平使IGBT导通，否则IGBT处于关断状态。在调制策略部.分，本系统设定为低电平有效，驱动电路的工作过程是MMC驱动使能信号MMC_DRV为高电平时，MMC系统才能正常工作。例如,当pw和wm中的信号函数mmco_pwm1为一个小的低电平时,光耦只能输出有效的一个高电平,这样光耦可以直接使它的igbt开通,但是由于当pw和wm中的信号函数mmc_pwm1为一个小的高电平时,光耦只能输出有效的一个低电平,这样光耦可以直接使它的igbt开通关断。驱动电路驱动光耦芯片的供电电路图4-3功率开关管的驱动电路原理5)采样及调理电路采样调理电路是所有电力电子装置必不可少的电路之一,尽管电路实现的形式有所不同，但是其作用都是相同的，都是将电路中所需参与控制的物理量通过采样电路采集后，经调理电路将该信号进行一定的变换，变成下一级处理器能够正常使用的物理量信号。a)采样电路采样驱动电路主要分为有额定电压控制采样驱动电路和额定电流驱动采样两种电路,众所周知,电压和采样电流都可以是一个有限的交流和直流之分,本实验平台在设计中,无论交流量或直流量都用霍尔传感器进行采样,采样信号的输出最终都是以电压信号的形式送入调理电路进行处理。图4-4是采样电路的原理,图4-4(a)是霍尔电压采样电路,其中最核心的元器件就是一种型号为tbv5/25a的霍尔电压传感器,该传感器件的基本设计原理及其主要参数可以看见下面的列表4-1。图4-4(b)是霍尔电流采样电路,其中最核心的元器件就是一个型号称为hnc-50la的霍尔电流传感器,该传感器件的一些主要参数可以看见下面的列表4-1。(a)电压采样电路(b)电流采样电路图4-4采样电路原理电压采样电路是根据拟测量电压的大小范围以及TBV5/25A的参数确定出图4-4(a)中的输入电阻R1的值和采样电路输出电阻的值。当电阻r1使得电压传感器的输入电流成为初级线圈的额定电流时,这种电压传感器就能够具有最优的测量精度,因此在使用电压传感器时,我们应尽可能地测量和确定与5ma的初级线圈输出电流相适应的测量精度。例如,所需要测量的电压最高值等于250v,则计算可得到R1的值为50kQ，功率取值为5W,但根据能购买到的标称电阻，选择R1的值为51kQ。电阻R2的取值与下一级调理电路允许输入的最大电压有关系,该电压即为采样电路允许输出的最大电压，再根据电压霍尔初级线圈和次级线圈的匝数比，可算出次级线圈上的电流，则进一步可算出采样电路输出电阻的取值。表4-1霍尔传感器主要参数型号额定输入电流匝比额定输出电流供电电压.绝缘电压TBV5/25A.5mA5000:10005mA15V50Hz/AC/2500V/1minHNC-50LA50A0.73611150mA土15V50Hz/AC/2500V/1min电流采样电路根据拟测量电流的大小范围以及HNC-50LA的参数确定出图4-7(b)中采样电路输出电阻的取值。例如，测量电流的最大值为10A，经过初、次级线圈匝数比，可计算得到输出电流最大值为10mA，假设输入下一级调理电路的电压最大值为3V,则采样电路输出电阻的取值为3002。b)调理电路调理调制电路主要组成有两个交流数字信号多路调理调制电路和直流数字信号多路调理调制电路,由于调理电路下一级是ADC,其一般允许输入的模拟变量必须为不小于零的物理量,而交流信号是正负交替的物理量，因此在进行下一级处理之前需要将正负交替的物理量经过处理变成直流物理量进行处理。图4-5为电压信号多路调理的调制电路设计原理,其中(a)为一个交流电压信号的多路调理调制电路;其中的电路图(b)为直流电压信号的多路调理调制电路。交流调理信号(b)直流信号调理电路图4-5信号调理电路原理交流电压信号调理电路的主要工作原理如下:首先将一个电压的信号通过rc滤波后,然后再经过集成运算放大器对一个电压的信号做出反向运算和处理,之后再经过一个电压的抬升,将正负交替的交流信号处理成方向不变的直流信号，然后再做电压跟随处理，最后进一步对信号进行限幅处理，使该信号的电压值不小于0V，不大于3.3V。经调理电路之后，送入ADC进行处理。直流电压信号滤波调理的工作电路相对比较简单,首先所需要我们做的就是对经过限幅滤波优化处理的直流电压信号滤波进行r-rc限幅滤波,然后通过一级运算信号放大器对其信号做一级直流电压信号跟随,最后再对直流电压信号滤波进行一级限幅滤波处理,经调理电路之后送入ADC进行处理。5)模数转换器选择模拟信号的数字化技术是一种利用模拟数字信号控制器对其进行信号处理的必备条件,而adc则是将其进行模拟信号数字化的重要技术元件。由于主控制器STM32H743ZIT6内部集成的ADC的数量及采样通道数有限，且外部扩展独立的ADC也不方便，而MMC系统需要采样的物理量比较多,STM32H743ZIT6内部的ADC无法满足系统要求,因此本系统采用独立的外扩ADC的策略。所选ADC的型号为AD7938，该型号的ADC有8路转换通道，由于FPGA的I/O资源较多且定义灵活，则在FPGA上外扩三片ADC，一共有24路转换通道。图4-6是AD7938芯片及外围电路。AD7938是一款可进行读写操作、数据并行输出的ADC，其最高时钟频率可达25MHz，可选用内部参考电压，也可使用外部参考电压，本系统设计时选用内部参考电压。三片adc的外围配置电路相同,共用一个时钟信号,同时共用一个数据总线以及一个控制总线。三片ADC由FPGA通过译码器来选择具体工作的ADC芯片。每片ADC工作时，通过ADC芯片上相对应的地址位来选择具体转换通道，根据AD7938的使用手册，在对该ADC进行写操作时，即“WR”位的逻辑电平为0时，数据位DB5~DB7变为转换通道的地址位AB0~AB2,在普通模式下为8路单端转换通道，具体转换通道选择见表5-2所示。图4-6AD7938芯片及外围电路.表4-2AD7938转换通道选择写操作(WR=0)转换通道DB7(AB2)DB6(AB1)DB5(AB0)共地AGND000VINO001VIN1010VIN2011VIN3100VIN4101VIN5110VIN6111VIN7图4-7ADC与DAC工作选择电路.ADC与DAC工作选择电路如图4-7所示，该电路是通过74LV138译码器电路来选通所需工作的ADC或DAC,尽可能节省FPGA的I/O资源。根据表4-3所示的74LV138的真值表，通过FPGA的两位有效地址信号选通具体所需工作的ADC和DAC使能状态选择见表4-4。表4-374LV138的真值表输入输出G2AG2BG1ABCYOY1Y2Y3Y4Y5Y6Y7HXXXXXHHHHHHHHXHXXXXHHHHHHHHXXLXXXHHHHHHHHLLHLLLLHHHHHHHLLHHLLHLHHHHHHLLHLHLHHLHHHHHLLHHHLHHHLHHHHLLHLLHHHHHLHHHLLHHLHHHHHNLHHLLHLHHHHHHHHLHLLHHHHHHHHHHHLH=高电平;L=低电平;X=不定态表4-4ADC和DAC使能状态选择地址编码器件使能DECODE2.DECODE1低电平有效00ADCl_CS01ADC2_CS10ADC3_CS11DAC_CS6)数模转换器选择数模转换器的作用是将数字信号量化转换成模拟信号。设计DAC的主要目的是为了方便MMC的控制器系统的调试以及便于观察数字控制系统中的某些控制效果[31]。所选DAC的型号为MAX547，该型号的DAC有8路转换输出通道。图4-8是MAX547芯片及外围电路。MAX547是一-款数据并行输入的数模转换器，通过MPC1541芯片产生精准的1.096V参考电压。DAC的工作片选信号与上述ADC工作片选信号选择方式相同，具体见表4-4。DAC与ADC共用数据总线以及部分控制总线。DAC的通道选择是通过FPGA控制MAX547的地址位以负载输入位来选择转换通道，通道选择见表4-5。当DAC将所需的数字信号转换成模拟信号时,波形经过如图4-8所示的输出调理电路后，以便使用示波器等测量显示设备进行观察。该集成电路首先通过对转换后得到的模拟信号