CN113655739B - 一种基于fpga的可配置数字固态配电系统 - Google Patents

一种基于fpga的可配置数字固态配电系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种全新的基于FPGA的可配置数字固态配电系统，具备关键特性参数可配置、保护特性可编程的优点，避免了关键参数固定、保护特性固定等导致配电受负载特性限制影响应用的适用范围；具备可重构功能可实现保护特性的选择，从而重构成不同的固态电子开关类别，避免了固态配电模式单一导致应用工况限制，应用范围受限。

Description

一种基于FPGA的可配置数字固态配电系统
技术领域
本发明涉及基于FPGA的可配置数字固态配电技术，属于电力电子技术领域。
背景技术
固态配电以固态电子开关为核心部件，固态电子开关采用功率管作为核心控制开关，现在已被广泛应用于各个领域，具有无触点、无电弧、无噪声、响应快、电磁干扰小、寿命长、可靠性高等优点。固态电子开关包含有保护功能的固态电子开关，如基于I2t功能和短路立即跳闸功能的固态功率控制器类产品、基于恒流限流功能的固态限流开关类等产品；和无保护功能的固态电子开关，如固态继电器。但传统固态配电技术具有模式单一，功能受限，应用范围窄等缺点，且控制部分一般采用软件设计实现，可能带来的死机、程序跑飞、程序运行错误、抗干扰弱等可靠性不高的缺点。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种全新的基于FPGA的可配置数字固态配电系统，具备关键特性参数可配置、保护特性可编程的优点，避免了关键参数固定、保护特性固定等导致配电受负载特性限制影响应用的适用范围；功能可重构能实现保护特性的选择，从而重构成不同的固态电子开关类别，避免了固态配电模式单一导致应用工况限制，应用范围受限；采用基于FPGA的控制架构实现了算法的硬件化，既能避免采用模拟电路搭建带来的参数敏感、又避免了采用软件实现方式可能带来的稳定性不高的缺点。
本发明的技术方案是：
一种基于FPGA的可配置数字固态配电系统，包括FPGA主控制器、配置电路和多个配电通道基本单元，其中每一个配电通道基本单元均包含有：隔离供电电路、驱动电路、信号调理电路、隔离电路、功率电路；配电对象为负载；
配置电路完成FPGA主控制器配置参数的存储及加载；通过FPGA主控制器完成对多个配电通道基本单元的并行控制，每一个配电通道基本单元实现一路功率配电输出，各配电通道基本单元之间彼此隔离，从而实现多路配电控制；
隔离供电电路接收一路外部提供的输入电压，内部通过变压器实现DC-DC电压隔离，输出电压供给驱动电路、信号调理电路、隔离电路；
隔离电路实现对模拟量和数字量的隔离，从而实现FPGA主控制器与配电通道基本单元之间的信息交互；
驱动电路接受通过隔离电路后的开通、关断、限流指令，通过调整功率电路中MOSFET栅极电压实现对MOSFET的开通关断控制、开通关断时间控制及恒流闭环调节；同时驱动电路输出的驱动信号通过与信号调理电路实现信号交互，完成开关状态反馈和保护关断状态反馈；
信号调理电路采集功率电路输出的电流信号、电压信号、温度信号并进行模拟信号运算放大后传给隔离电路和驱动电路，同时信号调理电路还将驱动电路采集到的开关状态、保护关断状态处理后传给隔离电路；隔离电路将信号进行隔离后发送给FPGA主控制器。
进一步的，功率电路包含MOSFET功率器件、通道电流采样电路、电压采样电路、温度采样传感器；通过接收一路外部供电输入，完成对负载的配电控制，同时将配电通道的电流信息、电压信息、MOSFET功率器件的温度信号输出给信号调理电路。
进一步的，配置电路采用E2ROM掉电信息存储芯片实现。
进一步的，FPGA主控制器通过采集配电通道基本单元的状态信息完成对配电通道的电压信息、电流信息、温度信息、开关状态、保护状态实时监控及对外传输，同时通过将以上信息进行算法控制完成对配电通道基本单元的控制，从而实现配电。
进一步的，所述算法控制包括恒流限流算法控制、重复过载算法控制、时间继电器功能实现算法控制、折返模式实现算法控制、自锁算法控制。
进一步的，进行恒流限流算法控制，具体为：该控制方式被选通后，当发生过流或短路时，通过实时采集通道电流，将该电流与设定的限流值进行做差比较，通过PID算法完成闭环调节，输出频率信号传输给隔离电路，隔离电路将信号传输给信号调理电路，信号调理电路将频率信号传送给驱动电路，从而实现对功率电路的闭环调节。
进一步的，进行重复过载算法控制，具体为：该控制方式被选通后，过载保护断开后持续时间达到重触发时间设置值时，MOSFET自动重新开通。
进一步的，进行时间继电器功能实现算法控制，具体为：该控制方式被选通后，从指令开通开始计时，当MOSFET开通时间达到设定的定时时间，MOSFET将被关断。
进一步的，进行折返模式实现算法控制，具体为：该控制方式被选通后，过载保护时间到后MOSFET将不被关断，MOSFET工作模式转为闭环调节模式，按照折返限流点设定的电流持续保持下去；
折返限流点的计算公式如下：
Figure BDA0003175935840000031
其中，VDS为MOSFET的漏极和源极之间的电压，Rsense为采样电阻的阻值。
进一步的，进行自锁算法的实现算法控制，具体为：该控制方式被选通后，当发生过流时，FPGA发送关断信号从而实现对功率电路MOSFET的关断操作，同时对配电通道后续传送过来的电流信号不再参与算法控制，仅实现遥测实时输出，直到接收到上位机传来的解锁信号为止。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明的固态配电技术通过FPGA算法可实现对功率MOSFET的精确栅压调节，根据需要可实现对开通、关断速率的调节，既能够通过设置不同时长的缓开慢关功能有效抑制容性负载和感性负载引起的浪涌电流和尖峰电压，提高功率管的带载能力，提高了功率管的可靠性与使用寿命，确保设备安全、稳定、可靠地工作，又能够灵活设置成快速开关模式，满足高速应用的需要。
(2)本发明的固态配电技术通过采集配电通道电流，通过FPGA算法可实现对功率MOSFET的电流闭环调节，根据需要可实现对过流状态下的恒流控制，确保电路发生过流或短路时，供电输入的电流可控，避免了过大的电流浪涌对供电输入设备的破坏及对配电链路的破坏，同时也能避免大电流造成供电输入母线的电压跌落而引起的其余配电设备发生不可预测的灾难。
(3)本发明的固态配电技术具有温度采集传感器，通过采集功率器件的温度通过FPGA算法可实现对功率MOSFET的过温保护，从而降低功率MOSFET由于外部应力过大可能导致的过温失效风险。
(4)本发明的固态配电技术通过对配电通道电流信号进行采集，通过FPGA可实现任意I2t保护特性、恒流限流保护特性。
(5)本发明的固态配电技术可实现模式的重构和功能的重构，通过算法选择工作为SSPC(固态功率控制器)功能、限流器(LCL)功能、固态继电器(SSR)功能、时间继电器功能的单一功能或分段组合功能，同时可通过算法选择为重触发模式、自锁模式、折返模式。
6)本发明的固态配电技术具有模拟信号隔离传输功能，内部的隔离电路可实现对电流信号、温度信号、电压信号模拟量的隔离传输功能。
7)本发明的固态配电技术采用FPGA作为算法控制器，采用硬件设计语言实现算法的固化，避免了软件的不确定性。
附图说明
图1为本发明的电路原理框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。
区别于常规的固态配电技术，本发明涉及到的固态配电技术其核心部件具备可配置的功能，包含关键特性参数可配置、功能可重构、保护特性可编程的优点，可避免传统固态配电模式单一，功能受限，应用范围窄等缺点；同时，其控制部分采用FPGA硬件电路设计方式，避免了采用软件设计(如单片机、DSP等)可能带来的死机、程序跑飞、程序运行错误、抗干扰弱等可靠性不高的缺点，大大提高了配电的可靠性和安全性。
具体的，如图1所示，本发明提出一种基于FPGA的可配置数字固态配电系统，包括FPGA主控制器、配置电路和多个配电通道基本单元，其中每一个配电通道基本单元均包含有：隔离供电电路、驱动电路、信号调理电路、隔离电路、功率电路；配电对象为负载；
配置电路完成FPGA主控制器配置参数的存储及加载；通过FPGA主控制器完成对多个配电通道基本单元的并行控制，每一个配电通道基本单元实现一路功率配电输出，各配电通道基本单元之间彼此隔离，从而实现多路配电控制；
隔离供电电路接收一路外部提供的输入电压，内部通过变压器实现DC-DC电压隔离，输出电压供给驱动电路、信号调理电路、隔离电路；
隔离电路实现对模拟量和数字量的隔离，从而实现FPGA主控制器与配电通道基本单元之间的信息交互；
驱动电路接受通过隔离电路后的开通、关断、限流指令，通过调整功率电路中MOSFET栅极电压实现对MOSFET的开通关断控制、开通关断时间控制及恒流闭环调节；同时驱动电路输出的驱动信号通过与信号调理电路实现信号交互，完成开关状态反馈和保护关断状态反馈；
信号调理电路采集功率电路输出的电流信号、电压信号、温度信号并进行模拟信号运算放大后传给隔离电路和驱动电路，同时信号调理电路还将驱动电路采集到的开关状态、保护关断状态处理后传给隔离电路；隔离电路将信号进行隔离后发送给FPGA主控制器。
功率电路包含MOSFET功率器件、通道电流采样电路、电压采样电路、温度采样传感器；通过接收一路外部供电输入，完成对负载的配电控制，同时将配电通道的电流信息、电压信息、MOSFET功率器件的温度信号输出给信号调理电路。
优选的，配置电路采用E2ROM掉电信息存储芯片实现。
FPGA主控制器通过采集配电通道基本单元的状态信息完成对配电通道的电压信息、电流信息、温度信息、开关状态、保护状态实时监控及对外传输，同时通过将以上信息进行算法控制完成对配电通道基本单元的控制，从而实现配电。
过流保护特性算法曲线实现方式满足如下公式：
Figure BDA0003175935840000061
其中，K，r为常数，取值见下表1，IP为额定电流×倍数(1.1-2.5)，M为配置参数取值，I为电流遥测)
表2.K、r取值表
K r
一般反时限 0.14 0.02
非常反时限 13.5 1
极端反时限 80 2
本发明的固态配电技术通过FPGA算法可实现对功率MOSFET的精确栅压调节，根据需要可实现对开通、关断速率的调节，既能够通过设置不同时长的缓开慢关功能有效抑制容性负载和感性负载引起的浪涌电流和尖峰电压，提高功率管的带载能力，提高了功率管的可靠性与使用寿命，确保设备安全、稳定、可靠地工作，又能够灵活设置成快速开关模式，满足高速应用的需要。本发明中所述算法控制包括恒流限流算法控制、重复过载算法控制、时间继电器功能实现算法控制、折返模式实现算法控制、自锁算法控制。
本发明通过采集配电通道电流，通过FPGA算法可实现对功率MOSFET的电流闭环调节，根据需要可实现对过流状态下的恒流控制，确保电路发生过流或短路时，供电输入的电流可控，避免了过大的电流浪涌对供电输入设备的破坏及对配电链路的破坏，同时也能避免大电流造成供电输入母线的电压跌落而引起的其余配电设备发生不可预测的灾难。具体的，进行恒流限流算法控制，具体为：该控制方式被选通后，当发生过流或短路时，通过实时采集通道电流，将该电流与设定的限流值进行做差比较，通过PID算法完成闭环调节，输出频率信号传输给隔离电路，隔离电路将信号传输给信号调理电路，信号调理电路将频率信号传送给驱动电路，从而实现对功率电路的闭环调节。
通过FPGA算法可实现对功率MOSFET的过温保护，从而降低功率MOSFET由于外部应力过大可能导致的过温失效风险。通过对配电通道电流信号进行采集，通过FPGA可实现任意I2t保护特性、恒流限流保护特性。
进行重复过载算法控制，具体为：该控制方式被选通后，过载保护断开后持续时间达到重触发时间设置值时，MOSFET自动重新开通。
进行时间继电器功能实现算法控制，具体为：该控制方式被选通后，从指令开通开始计时，当MOSFET开通时间达到设定的定时时间，MOSFET将被关断。
进行折返模式实现算法控制，具体为：该控制方式被选通后，过载保护时间到后MOSFET将不被关断，MOSFET工作模式转为闭环调节模式，按照折返限流点设定的电流持续保持下去；
折返限流点的计算公式如下：
Figure BDA0003175935840000071
其中，VDS为MOSFET的D(漏极)和S(源极)之间的电压，Rsense为采样电阻的阻值。
进行自锁算法的实现算法控制，具体为：该控制方式被选通后，当发生过流时，FPGA发送关断信号从而实现对功率电路MOSFET的关断操作，同时对配电通道后续传送过来的电流信号不再参与算法控制，仅实现遥测实时输出，直到接收到上位机传来的解锁信号为止。
本发明可配置数字固态配电系统，具备关键特性参数可配置、保护特性可编程的优点，避免了关键参数固定、保护特性固定等导致配电受负载特性限制影响应用的适用范围；功能可重构能实现保护特性的选择，从而重构成不同的固态电子开关类别，避免了固态配电模式单一导致应用工况限制，应用范围受限；采用基于FPGA的控制架构实现了算法的硬件化，既能避免采用模拟电路搭建带来的参数敏感、又避免了采用软件实现方式可能带来的稳定性不高的缺点。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员公知技术。

Claims (7)

1.一种基于FPGA的可配置数字固态配电系统，其特征在于：包括FPGA主控制器、配置电路和多个配电通道基本单元，其中每一个配电通道基本单元均包含有：隔离供电电路、驱动电路、信号调理电路、隔离电路、功率电路；配电对象为负载；
配置电路完成FPGA主控制器配置参数的存储及加载；通过FPGA主控制器完成对多个配电通道基本单元的并行控制，每一个配电通道基本单元实现一路功率配电输出，各配电通道基本单元之间彼此隔离，从而实现多路配电控制；
隔离供电电路接收一路外部提供的输入电压，内部通过变压器实现DC-DC电压隔离，输出电压供给驱动电路、信号调理电路、隔离电路；
隔离电路实现对模拟量和数字量的隔离，从而实现FPGA主控制器与配电通道基本单元之间的信息交互；
驱动电路接受通过隔离电路后的开通、关断、限流指令，通过调整功率电路中MOSFET栅极电压实现对MOSFET的开通关断控制、开通关断时间控制及恒流闭环调节；同时驱动电路输出的驱动信号通过与信号调理电路实现信号交互，完成开关状态反馈和保护关断状态反馈；
信号调理电路采集功率电路输出的电流信号、电压信号、温度信号并进行模拟信号运算放大后传给隔离电路和驱动电路，同时信号调理电路还将驱动电路采集到的开关状态、保护关断状态处理后传给隔离电路；隔离电路将信号进行隔离后发送给FPGA主控制器；
FPGA主控制器通过采集配电通道基本单元的状态信息完成对配电通道的电压信息、电流信息、温度信息、开关状态、保护状态实时监控及对外传输，同时通过将以上信息进行算法控制完成对配电通道基本单元的控制，从而实现配电；
所述算法控制包括恒流限流算法控制方式、重复过载算法控制方式、时间继电器功能实现算法控制方式、折返模式实现算法控制方式、自锁算法控制方式；
折返模式实现算法控制方式，具体为：该控制方式被选通后，过载保护时间到后MOSFET将不被关断，MOSFET工作模式转为闭环调节模式，按照折返限流点设定的电流持续保持下去。
2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的可配置数字固态配电系统，其特征在于：功率电路包含MOSFET功率器件、通道电流采样电路、电压采样电路、温度采样传感器；通过接收一路外部供电输入，完成对负载的配电控制，同时将配电通道的电流信息、电压信息、MOSFET功率器件的温度信号输出给信号调理电路。
3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的可配置数字固态配电系统，其特征在于：配置电路采用E2ROM掉电信息存储芯片实现。
4.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的可配置数字固态配电系统，其特征在于：恒流限流算法控制方式，具体为：该控制方式被选通后，当发生过流或短路时，通过实时采集通道电流，将该电流与设定的限流值进行做差比较，通过PID算法完成闭环调节，输出频率信号传输给隔离电路，隔离电路将信号传输给信号调理电路，信号调理电路将频率信号传送给驱动电路，从而实现对功率电路的闭环调节。
5.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的可配置数字固态配电系统，其特征在于：重复过载算法控制方式，具体为：该控制方式被选通后，过载保护断开后持续时间达到重触发时间设置值时，MOSFET自动重新开通。
6.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的可配置数字固态配电系统，其特征在于：时间继电器功能实现算法控制方式，具体为：该控制方式被选通后，从指令开通开始计时，当MOSFET开通时间达到设定的定时时间，MOSFET将被关断。
7.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的可配置数字固态配电系统，其特征在于：自锁算法的实现算法控制方式，具体为：该控制方式被选通后，当发生过流时，FPGA发送关断信号从而实现对功率电路MOSFET的关断操作，同时对配电通道后续传送过来的电流信号不再参与算法控制，仅实现遥测实时输出，直到接收到上位机传来的解锁信号为止。
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