可重構型電力電子實驗平臺研制與應用

劉 濤 蔡 燕 李龍女 朱高嘉 熊嘉偉

(天津工業大學 電氣工程學院， 天津 300387)

“電力電子技術”和“電機拖動”課程是電氣工程與自動化專業的主干課程，應用范圍涵蓋電動汽車、工業自動化、電力系統、新能源發電等多個工業領域[1-4]。課程核心集中于四類電力變換電路(整流、逆變、斬波、交-交變流)的基本結構、工作原理、控制方法、設計方法及實驗技能的學習與掌握，課程注重實踐技能培養，其教學與實驗水平直接關系到專業人才的質量[5-7]。

但是，目前的電力電子實驗存在諸多問題，主要包括：①變流器拓撲結構固定，無法靈活擴展；②實驗平臺體積龐大，不同項目需要不同的實驗箱，維護困難；③控制器基于模擬電路或專用芯片，無法編寫控制程序；④功率元件主要采用晶閘管，無法反映當今電力電子技術現狀。上述原因使得電力電子課程的實驗內容與實驗流程單一，與工業領域發展相互脫節，無法培養學生解決復雜工程問題的能力。針對這一問題，美國、歐洲部分機構以提高學生實踐能力為目的，采用新技術，實現工業應用與實驗教學相互協作，并提出了相關課程改進計劃[8-9]。在國內，部分院校針對電力電子課程進行了相關實驗裝置的開發[10-11]。

與此同時，隨著計算機仿真技術的發展，代碼生成技術逐漸應用于電子信息類專業的實驗教學中，增強了理論教學與實踐教學之間的聯系[12-13]。

為此，結合最新的寬禁帶半導體技術，設計了一種能夠靈活實現多種電力電子拓撲結構的模塊化實驗教學平臺，拓展了實驗范圍。在此基礎上，采用代碼生成技術，實現了變流器硬件設計與控制程序設計、仿真分析與實驗驗證的緊密結合。實驗平臺具有輕量化，易維護的特點，并可用于研究生與教師相關課題研究。

1 模塊化電力電子實驗平臺基本結構

模塊化實驗平臺以碳化硅(Silicon carbide, SiC)功率模塊作為開關器件，設計原理圖1所示。

圖1 模塊化電力電子實驗平臺的設計原理與分立式模塊實物圖

分立式模塊針對單個SiC功率器件，將其與散熱器、緩沖電路、驅動芯片、光電耦合器、隔離電源模塊等部分集成為一體，并設計主電路接口、驅動電源接口、控制信號接口。在此基礎上，對應變流器拓撲結構，將多個分立式模塊進行組合，構建主電路拓撲結構，實現變流器的整體電氣連接。

采用德州儀器TMS320F28335高性能DSP以及Altera公司MAX10系列FPGA作為核心控制器，同時，將18個分立式模塊進行組合，結合傳感器、電感、電容等模塊，搭建實驗平臺如圖2所示。

圖中，主控板通過18路PWM控制接口實現各個SiC分立式模塊的獨立控制，同時，主控板通過電流電壓采集接口與霍爾傳感器相連，實現所構建電力電子拓撲結構中的電氣量實時采集。

圖2 模塊化電力電子實驗平臺(左：總體結構；右：主控板結構)

主控板中，DSP主頻高達150 MHz，具備電力電子控制所需的浮點數計算、PWM生成、AD轉換等功能；FPGA能夠實現可定制的數字邏輯電路，用于PWM信號擴展、死區控制、硬件保護等功能。另外，主控板具有電機測速接口、串行數據接口、通用IO接口，能夠實現電機閉環控制、上位機通訊等功能。

實驗平臺的技術特點和優勢：

(1)模塊化：通過多個分立式模塊的有機組合，可以靈活實現AC/DC、DC/DC、DC/AC、AC/AC多種電力電子拓撲結構。另外，可以減少電氣隔離、散熱、保護等方面的設計復雜度。

(2)輕量化：采用SiC功率模塊與高性能處理器，有效提高功率元件的開關頻率，減小主電路中濾波電感、濾波電容、直流支撐電容的體積。提高變流器功率密度和效率，實現系統平臺小型化。

(3)可復用性：搭建新的電路拓撲時，只需改變主電路連接方式，無需調換實驗箱，學生可將精力集中于仿真與實驗驗證上。當單個分立式模塊故障時，可以單獨進行替換，節省維修時間和成本。

實驗平臺采用低壓隔離型電源，并使用霍爾傳感器進行電流、電壓采集，提高實驗安全性，降低誤操作損害設備的可能性，避免了學生在電氣測量時可能出現的示波器探頭“不共地”情況，使學生專注于電力電子拓撲結構、開關狀態切換順序、換流機理等內容的理解上，提高了學習效率和效果。

在此基礎上，將Matlab/Simulink代碼生成技術與DSP編程環境Code Composer Studio相結合，可使虛擬形式的電力電子仿真模型轉換為DSP控制程序，使學生將重點集中于控制算法分析上，簡化變流器控制系統的軟硬件學習過程，如圖3所示。

圖3 基于Matlab/Simulink代碼生成技術的開發環境與實例

2 課程實驗教學實例設計

通過對分立式模塊輸入不同的控制信號，或者將多個模塊進行組合，可以實現某些變流器拓撲結構中二極管、雙向開關等器件功能，如圖4所示。

圖4 分立式模塊實現其它功能電力電子開關器件的方法

2.1 DC/DC降壓斬波變換器

利用模塊化實驗平臺中的兩個分立式模塊，其中一個由主控板輸入PWM信號，另一個輸入關斷信號(實現二極管功能)，結合濾波電感和直流支撐電容，實現DC/DC降壓斬波電路，如圖5所示。

圖5 DC/DC降壓斬波變換器實驗

圖中：①為電路原理圖；②顯示模塊化實驗平臺中參與變流器構建的兩個分立式模塊；③表示Matlab/Simulink環境下所搭建的仿真模型；④表示用于代碼生成的仿真模型；⑤表示實驗結果。

2.2 DC/AC、DC/AC/DC變流器實驗

利用模塊化實驗平臺中6個分立式模塊，構建三相逆變橋，并結合濾波電感和直流支撐電容，實現DC/AC逆變器，如圖6(a)所示。使用12個分立式模塊，分別構成三相逆變橋和二極管整流橋，結合直流支撐電容、濾波電感、濾波電容，可實現DC/AC/DC變流過程，如圖6(b)所示。

圖中，①～⑤所表示的內容與圖5中的DC/DC降壓斬波變換器相同。可以看到，通過改變分立式模塊的連接方式，能夠實現新的拓撲結構，同時，結合代碼生成技術，使原理分析、硬件設計、仿真驗證、程序編寫、實驗驗證五個過程緊密相連，簡化了硬件設計和軟件編程環節，使學生能夠專注于變流器的工作原理分析和實驗驗證。

2.3 其它拓撲結構的實現

實驗平臺具有18個分立式模塊，可實現更為復雜的變流器拓撲結構，如圖7所示。

(a)DC/AC逆變器實驗

(b)DC/AC/DC逆變-整流實驗圖6 DC/AC逆變器實驗與DC/AC/DC逆變-整流實驗

可以看到，將18個分立式模塊進行有機組合，可組成更為復雜的拓撲結構，包括目前處于研究熱點的NPC三電平逆變器、矩陣變換器，以及直流母線型雙電機驅動系統。

3 實驗教學流程

實驗教學力求增強其與多門課程之間的聯系，提高學生解決復雜工程問題能力，基本流程如下：

(1)組織學生焊接、組裝、測試分立式模塊，并分析電路原理。該過程與“電路原理”“模擬電路”“數字電路”“電工電子實習”等課程相聯系。

(2)分組進行仿真模型的搭建與分析。該過程與“Matlab程序設計”“電氣工程仿真”等課程相聯系。

(3)分組進行硬件電路搭建、代碼生成與程序調試。該過程與“單片機原理”“C語言程序設計”課程相聯系。

(a)NPC三電平逆變器

(b)矩陣變換器

(c)共直流母線型雙電機驅動系統圖7 其它拓撲結構的實現

(4)實驗驗證與結果分析。該過程與“電氣檢測技術”“自動控制原理”等課程相聯系。

4 結語

針對傳統電力電子實驗教學中存在的問題，對實驗平臺進行重新設計，基于模塊化設計思想與代碼生成技術，研制了一種模塊化電力電子實驗平臺，并設計了相關教學實例和教學流程。相比傳統實驗教學平臺，該平臺實現了軟件和硬件上的靈活配置和可延展性，拓寬了實驗范圍，使實驗教學緊跟工業領域和學術領域發展，有利于提高學生解決復雜工程問題的能力。