大家好，很抱歉上周末沒有及時更新公眾號，本來這期想聊聊IGBT的拖尾電流，但是由于周末去深圳高交會(高新技術成果交易會)逛了一天，時間給耽擱了，感覺要想把拖尾電流講清楚也不太容易，還得需要點時間，為了保證不斷更，這次我們先換個簡單點的話題，聊聊FPGA在電力電子中的應用，趕快把上周的作業補上。

在這里CPLD就不說了，因為兩者應用場景差不多，只是資源多少的問題。

為什么想到這個話題呢？主要是這次參加高交會勾起了大學時代的很多回憶。

這次展會重點展示了節能環保、新一代信息技術、高端裝備制造、新能源、新材料等領域的先進技術和產品，最吸引眼球的還屬人工智能、大數據、云計算、機器人這些領域。

想想這些年一直在埋頭搞電力電子，一抬頭感覺錯過了好多東西！當然在其它方面也收獲了很多，總體感覺人工智能和大數據真的離我們不遠了，有些已經在生活中有所應用，只是我們沒有察覺到。

當看到這些高科技產品，首先想的就是它是怎么實現的，用的什么處理器?總有點想拆了一探究竟的欲望!或許也是這些年一直搞硬件養成的思維習慣吧！

硬件核心的東西是什么呢？MCU、ARM、DSP、FPGA還是ASIC？當這些名詞在大腦浮現出來時，記憶回到了大學時代，那會兒是對單片機真的熱愛啊，AT89S51, Mega8, Mega16, MSP430....還有那些和自己參加電子設計競賽一起奮斗的好友...滿滿的回憶

后來讀研究生用到了DSP，FPGA，業余時間還喜歡搞搞ARM，研究一下嵌入式系統。讀博以后開始搞電力電子硬件這塊，和這些芯片打交道也就慢慢變少了，但是偶爾還會做塊板子，用到TI C2000 DSP和Xilinx FPGA。搞電機控制的對DSP都比較熟悉了，而FPGA雖然也是軟件編程，但是它更需要硬件數字電路的思維，可能好多人對這塊理解也不夠深入。所以電力電子領域懂FPGA的人要遠少于懂DSP的。

掐指一算，自己踏入電力電子領域也已經將近10年了，那干脆就聊聊FPGA在電力電子中的應用吧，希望能對大家有所啟發。

首先，看看做FPGA的知名企業有哪些呢？搞這塊的應該都知道，早些年全球FPGA市場基本被美國“兩大兩小”四家公司壟斷。

其中“兩大”指的是Xilinx和Altera，因為這兩家公司占據了80%的市場份額，而“兩小”指的是Lattice、Actel，在隨后的幾年中，一連串的并購改變了FPGA市場格局。

2010年，Microsemi以4.3億美元收購了當時市場排名第四的Actel；

2015年，Intel以167億美元收購排名第二的Altera；

2020年，AMD以350億美元收購排名第一的Xilinx。

美國四大巨頭已經三家被并購了，就剩下Lattice一家逼格不夠高的目前保持獨立。

FPGA為什么會被這些大的半導體公司收購呢，首先看一下Intel收購FPGA的原因：：

①?FPGA的器件架構決定了是內存以外極少的可以持續利用摩爾定律的器件；

②?新的計算范式如數據中心需求和神經網絡等智能計算方法都非常適合FPGA架構；

③?貼近物理層與數據融合的物聯網應用。

詳細原因可以知乎搜“怎樣理解Altera被intel收購”。

英特爾收購Altera后，在數據中心、5G通信、物聯網和車載芯片等領域開疆拓土，讓AMD和Xilinx都倍感壓力，這也是為什么AMD會收購Xilinx。

事實上，這些大的半導體公司在很多年以前就已經開始布局這些高端領域了。你去Xlinx主頁看，很難找到一個適合于我們工業用的低成本的FPGA或CPLD，反而Lattice走中低端市場，可選型號非常多。國產FPGA這些年發展也比較快，目前還沒有機會用到，就不作過多評論了，希望以后有機會可以多嘗試國產芯片。

回到主題，相比這些高大上的應用，FPGA在電力電子中應用又有哪些呢？

大概總結了一下，主要有以下幾個方面：

1、PWM脈沖發波

PWM脈寬調制技術，大家都不陌生了，無論電機控制、開關電源、UPS等都會用到。

目前大家最熟悉的應該是TI的C2000 系列DSP。通過配置DSP的EVA和EVB事件管理器就可以發出PWM波。然而，對于一些特殊的脈寬調制技術例如DPWM，有些器件可能難以勝任。正因為如此，TI C2000的PWM輸出也在不斷優化，從早期的EPWM type0優化到目前最新的type4[1]，通過不斷改進，使得PWM發波更加靈活，

另外，對于有些多電平應用，例如五電平、級聯H橋，MMC等拓撲，單個DSP能夠輸出的PWM數量有限。針對以上這些問題，FPGA就可以派上用場了，FPGA可以輸出任意你想輸出的波形，因為DSP的所有寄存器對于FPGA來說都可以通過硬件實現，數量也無限制(當然你的FPGA 輸出引腳要足夠多)。

2、A/D采樣控制

在電力電子控制器開發過程中，AD芯片作為搭接模擬和數字的橋梁，其性能的好壞，將直接影響整個系統的性能。對于一些成本控制較高的應用，例如通用變頻器，一般采用DSP的片內AD就夠了。

而對于有些性能要求較高的應用，例如伺服，一般需要更高的采樣精度和帶寬。而對于源濾波補償裝置，為了達到較好的補償效果，往往需要多通道同步采樣。

以上這些特殊需求，DSP片內AD可能會受到一定的限制。這時候通過FPGA外擴AD芯片就會方便很多，根據AD芯片通道數，可以配置一片或多片，這些芯片一般集成了SPI或并行總線接口，通過FPGA控制AD時序，DSP可以專心負責控制算法。

當然如果你有特殊的數字濾波算法需求，FPGA就更不用說了。

3、背板總線通信

對于有些大功率變流裝置，例如風電變流器、中高壓變頻器等，控制器一般采用3U或6U機箱結構，機箱集成了處理器板卡、IO板卡、AD/DA采集板、通信板卡等等。這些板卡之間一般通過背板總線方式通信，由于電力電子應用并不需要類似交換機那種高帶寬和吞吐率的通信需求，因此各家都會定義自己的總線通信方式，例如采用DSP的Xintf并行接口就可以訪問各個板卡了。如果考慮做的更緊湊些，也可以采用串行總線，類似SPI。這時候采用FPGA作為接口協議芯片就非常靈活，可以解決各板卡芯片之間的接口時序不匹配問題。

在這里借用一張日本MyWay公司的產品圖片，PE-Expert4，主要是因為這個機箱還有板卡設計的很漂亮。這是一款電力電子開發平臺，主要用在實驗室驗證算法，相信后面的背板總線也采用了FPGA。

4、接口擴展

在控制器開發過程中，如果DSP或ARM的輸出IO口不夠用的時候，FPGA可以很好的解決這個問題。Lattice就有相應的案例，通過SPI和原有MCU進行SPI通信，可以拓展16個IO口，這些IO口可以配置為輸入或輸出，還可以產生中斷，非常方便。

?

除了普通的IO拓展外，FPGA還可以輕松的實現對外通信，通過FPGA可以實現任意多路UART，SPI，I2C總線，輕松的實現板級芯片的訪問。另外，一般專用的現場總線ASIC芯片配有SPI接口或并行總線接口(Intel時序或motorola時序)，通過FPGA訪問這些ASIC即可實現各種現場總線。當然，你有能力也可把這些協議做進去，類似瑞典HMS把各種總線協議做進了自己的芯片內，非常方便。

5、先進控制理論

現代控制理論技術的發展，對電力電子技術的推動起著很重要的作用。例如最優控制，神經網絡，模型預測控制等。這些控制理論往往需要的運算量較大，例如，模型預測控制(model predictive control，MPC) 通過構建多目標優化函數，對變換器的有限開關組合對應的系統未來狀態進行評判，選擇使目標函數值最小的開關組合作為下一個開關周期的開關狀態，吸引了眾多學者對其在電力傳動領域的研究[2-3]。

但模型預測控制每個控制周期里需對系統所有可能的未來狀態進行計算和評判，計算量龐大，如何減少計算量是目前模型預測控制研究的熱點。這時候FPGA又可以大顯身手了，只要你的邏輯門足夠多，采用“速度換面積”的思想，FPGA就可以在一個時鐘周期做完你所有的事情，咱就是這么牛。

6、中高壓IGBT驅動

?IGBT驅動電路作為大容量電力電子裝置功率回路和控制電路之間的接口，其性能的好壞對IGBT的工作特性有很大的影響。傳統的門極驅動采用固定門極電阻方式實現IGBT的開關控制，無法在電壓、電流尖峰，器件損耗，開關延時，EMI等取得較好的折中。

近些年來，基于可編程器件FPGA或CPLD的數字型門極驅動正在逐漸被認可，并成功應用中高壓領域，數字型門極驅動的主要特點分別為：主動門極控制和監控診斷功能[4]。主動門極控制是根據工作運行環境和工況，對 IGBT 開關過程進行主動精細化最優控制的一種方法，其基本思路是把 IGBT 開通過程和關斷過程分別劃分為幾個不同的階段，針對某一問題只需對相應的階段進行獨立的門極調控，對其他參數產生很小的(甚至不產生)負面影響。監控診斷功能是對IGBT運行中的關鍵參數進行監測。當IGBT發生突發故障時，可以根據具體的參數實現故障的區分和定位。針對IGBT在運行中出現了的老化問題，通過對IGBT運行中的關鍵參數進行處理分析，實現IGBT的故障預測及健康管理。

目前采用數字型門極驅動廠家主要有中國Firstack，英國Amantys，德國Inpower，美國Agileswitch，感興趣的可以自己去查看。

?

7、硬件在環(Hardware-in-Loop, HIL)仿真

目前，對于電力電子控制器的開發，基于模型的開發方式(Model based development)越來越成為主流。而在這個開發模式中，硬件在環仿真測試(Hardware-in-loop，HIL)是一種典型的測試方法。硬件在環仿真，是將真的控制器連接假的被控對象(用實時仿真硬件來模擬)，以一種高效、低成本的方式對控制器進行全面測試。為了提高仿真精度，需要模型盡可能的逼近真實物體，同時對模型的響應速度也有一定的要求，FPGA憑借著自身的并行處理能力，可以較好的勝任該工作。

舉個例子：在電機驅動領域，可以在FPGA建立一個虛擬的逆變器模型和電機模型，與真實控制器連接后實時仿真，可以快速驗證電機控制器的開發，只要你的模型足夠準確，就可以騙過控制器，節省了硬件成本，同時也避免了由于操作不當造成的炸機風險。

8、高速電機控制

對于高帶寬的電機控制應用，各個FPGA廠商也有配套的方案，例如Microsemi公司給出的用永磁同步電機Sensorless FOC方案，將FOC的各個模塊做成IP核，供客戶使用，環路的帶寬在1us，器件的開關頻率可達500kHz。

好了，今天就給大家分享到這里吧！總之，FPGA是非常靈活的，只要是處理數字信號的芯片，無論你是MCU、DSP、ARM或ASIC，它都可以勝任，而且速度還非常快。FPGA在電力電子中的應用雖不及人工智能、大數據看上去那么高大上，但也起著非常關鍵的作用，真正把FPGA用好也不太容易，讓我們一起努力吧！

部分圖片來源于網絡，如有侵權，請聯系作者刪除！

參考文獻：

[1]?TI官網文檔Literature Number: SPRU566N “C2000 Real-Time Control MCU Peripherals Reference Guide”.

[2]?Rodriguez J，Kennel R，Espinoza J，et al. High-performance control strategies for electrical ?drives：an experimental assessment[J]．IEEE Trans. on Industrial Electronics，2012，59(2)：812-820．

[3]?曹曉冬. 大功率三電平 PWM 整流器模型預測控制方法[D]. 博士論文，2017.

[4]?丁榮軍, 劉侃. 新能源汽車電機驅動系統關鍵技術展望[J]. 中國工程科學, 2019, 21(3): 56-60．

總結

以上是生活随笔為你收集整理的altera fpga sdi输出方案_FPGA在电力电子中的应用有哪些?的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網站內容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。