本發明涉及電力電子開關器件過流保護領域，具體涉及一種基于FPGA的數字化逐波電流限制系統及保護方法。

背景技術：

隨著電力電子器件和控制技術的不斷發展，電力電子變換系統在工業電氣驅動、交通運輸、電力系統、通信系統，以及新能源領域均得到了廣泛應用。并且開關器件的電壓等級和電流等級也越來越高，對電力電子變換系統的安全穩定運行能力的要求同樣也有嚴格要求。而在實際應用中，主電路可能出現短路或電流突然的波動，雖然可以利用電力電子器件自身提供的過流保護電路實現過流的判斷，并由控制系統完成開關器件的閉鎖，但是電力電子器件自身過流保護的門檻值高，且不能進行靈活調節，同時受閉鎖電路和控制系統固有的時間延遲，也會導致保護過程執行時間較長。因此，當出現過流問題后，對電力電子開關器件的過流沖擊影響很大。

較為理想的辦法是，采取逐波電流限制的方法，但是目前在該技術上的實現方法主要以模擬電路實現為主，相比利用微處理器的定時采樣而言，模擬電路速度快，可以快速實現限流功能，但是模擬電路也存如下的問題：（1）模擬電路設計較為復雜，不便于后期升級。且模擬電路實現多個開關器件的逐波限流保護時，每個器件均需要配置獨立的電路，系統復雜程度提高。（2）模擬電路難以實現復雜的算法和容錯功能。（3）模擬電路中，過流數值、過流返回數值、最小脈寬數值一旦設定，不能實現在線修改，復雜的信息難以與微處理器進行交互。（4）模擬電路僅僅完成逐波限流功能，控制系統仍然需要。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是：提供一種基于FPGA的數字化逐波電流限制系統及保護方法，使得逐波電流限制系統具有更高的靈活性、安全性和可靠性。

本發明為解決上述技術問題所采取的技術方案為：一種基于FPGA的數字化逐波電流限制系統，它包括電流測量電路、電力電子開關器件和開關器件驅動電路，其特征在于：它還包括模擬變換電路、AD轉換電路和FPGA芯片，其中電流測量電路檢測到的開關器件的電流，經模擬變換電路變換成為適合AD轉換電路采集的信號，由AD轉換電路轉換為數字信號，FPGA芯片獲取該數字信號，進行過流判斷，輸出脈寬信號占空比給開關器件驅動電路驅動電力電子開關器件。

按上述系統，所述的電流測量電路為電流傳感器、光電互感器或霍爾器件。

按上述系統，所述的電力電子開關器件為若干個，每個電力電子開關器件對應有一組電流測量電路、開關器件驅動電路、模擬變換電路和AD轉換電路，每個AD轉換電路分別與所述的FPGA芯片連接，FPGA芯片分別與每個開關器件驅動電路連接。

按上述系統，它還包括用于分擔FPGA芯片算法的微處理器，與所述的FPGA芯片連接。

一種基于FPGA的數字化逐波電流限制系統的電流保護方法，其特征在于：它包括以下步驟：

信號采集：采集模數轉換后的電力電子開關器件的電流信號；

脈寬信號占空比正常值計算：正常狀態下，電力電子開關器件的電流信號小于或等于過流設定值，通過所述的電流信號計算脈寬信號占空比正常值；

電力電子開關器件的電流信號判斷與控制：當電力電子開關器件的電流信號大于過流設定值時，將脈寬信號占空比降為預設的最低值發送給開關器件驅動電路，直到電力電子開關器件的電流信號小于過流返回設定值時，將脈寬信號占空比恢復成脈寬信號占空比正常值。

按上述方法，同時采集若干個電力電子開關器件的電流信號，分別進行控制。

按上述方法，所述的脈寬信號占空比正常值計算，由微處理器完成；電力電子開關器件的電流信號判斷與控制，由FPGA芯片完成。

按上述方法，信號采集時，模數轉換的采樣頻率為100kHz-1Mhz。

本發明的有益效果為：

1、利用數字化方法實現逐波電流限制，FPGA的運算速度極快（可達到幾十MHz，且運算功能較強），逐波限流功能可以加入更為復雜的算法，以及高效的容錯機制，使得逐波電流限制系統具有更高的靈活性、安全性和可靠性。

2、選用多通道的AD芯片后，可一次實現多個開關器件的電流檢測，實現多個開關器件的逐波電流限制。

3、在控制多個電力電子開關器件時，通過增加微處理器來完成脈寬信號占空比的計算，FPGA可及時向微處理傳送信息，微處理器與FPGA并列運行，進一步提高系統的安全穩定性。

附圖說明

圖1為本發明一實施例的系統原理框圖。

圖2為本發明又一實施例的系統原理框圖。

圖3為開關器件驅動信號生成示意圖。

圖4為本發明一實施例的方法流程圖。

具體實施方式

下面結合具體實例和附圖對本發明做進一步說明。

實施例一：

如圖1所示，一種基于FPGA的數字化逐波電流限制系統包括電流測量電路、電力電子開關器件和開關器件驅動電路，還包括模擬變換電路、AD轉換電路和FPGA芯片，其中電流測量電路檢測到的開關器件的電流，經模擬變換電路變換成為適合AD轉換電路采集的信號，由AD轉換電路轉換為數字信號，FPGA芯片獲取該數字信號，進行過流判斷，輸出脈寬信號占空比給開關器件驅動電路驅動電力電子開關器件。

一種上述基于FPGA的數字化逐波電流限制系統的電流保護方法，如圖3和圖4所示，包括以下步驟：

信號采集：采集模數轉換后的電力電子開關器件的電流信號；

脈寬信號占空比正常值計算：正常狀態下，電力電子開關器件的電流信號小于或等于過流設定值，通過所述的電流信號計算脈寬信號占空比正常值；

電力電子開關器件的電流信號判斷與控制：當電力電子開關器件的電流信號大于過流設定值時，將脈寬信號占空比降為預設的最低值發送給開關器件驅動電路，直到電力電子開關器件的電流信號小于過流返回設定值時，將脈寬信號占空比恢復成脈寬信號占空比正常值。

所述的電流測量電路為電流傳感器、光電互感器或霍爾器件，可以實現電流測量的器件，測量的電流信號可以是交流量也可以是直流量。例如選擇LEM公司的LT208-S7作為測量原件，其原邊額定測量電流為200A，副邊額定有效值為100mA。

模擬變換電路，按照所選擇的LEM電流傳感器，該模擬變換電路需要將100mA的電流信號進行濾波、調理和放大，變換得到合理的電壓，提供給A₃AD變換芯片所能夠接受的合理電壓范圍。考慮到裕度100mA變換成5V比較合適，那么A₂模擬變換電路的變比為40A/V。

開關器件驅動電路接受來自FPGA芯片的脈寬控制信號并完成電力電子開關器的驅動控制。驅動電路可選擇，CONCEPT公司的雙通道、緊湊型驅動模塊2SC0108T。開關器件可選擇EUPEC公司的FF200R12KS4，額定電流為200A。

實施例二：

本實施例的基本原理與實施例一相同，其不同之處在于：如圖2所示，所述的電力電子開關器件為若干個，每個電力電子開關器件對應有一組電流測量電路、開關器件驅動電路、模擬變換電路和AD轉換電路，每個AD轉換電路分別與所述的FPGA芯片連接，FPGA芯片分別與每個開關器件驅動電路連接。

其中若干個AD轉換電路可以集成為AD芯片，用戶可以根據實際對象要求確定AD芯片的通道路數、采樣位數和采樣速率。當AD芯片為多路時，可以同時完成多個開關器件的電流采樣，為實現多個器件的逐波電流限制提供支持。例如AD芯片可以為AD7606，該芯片可以同時完成8路16位的AD變換。

FPGA芯片電路完成AD芯片的數據采集，以及逐波限流保護算法。FPGA芯片可以為任何公司或者品牌的芯片。根據程序算法的容量，以及完成功能選擇合適大小即可。且FPGA還可以根據用戶需求，編寫各種控制算法和容錯算法。如果有多個器件，則FPGA可根據實際情況設置更多的控制端口。FPGA芯片可選擇Xilinx公司的Sprtan6系列的xc6slx45t系列芯片。

在控制的電力電子開關器件較多時，單純的靠FPGA芯片計算量可能過大，此時增加一個微處理器來輔助FPGA芯片進行計算。微處理器，可以為任何公司或者品牌的芯片，可根據用戶功能，以及完成功能進行選型與設計。例如：可選擇TI公司28335型號DSP芯片。

本實施例的基于FPGA的數字化逐波電流限制系統的電流保護方法，同時采集若干個電力電子開關器件的電流信號，分別進行控制。所述的脈寬信號占空比正常值計算，由微處理器完成；電力電子開關器件的電流信號判斷與控制，由FPGA芯片完成。按照以上具體設計，假設逐波電流限制的過流值為200A，過流返回設定值為180A，其具體包括以下步驟：

步驟1：AD采樣，得到實時的電流，并且判斷電流是否大于過流值200A，若大于則進入步驟2，否則不進行任何控制，只對電流進行監測。

步驟2：若電流大于200A，則立刻開放逐波電流限制，將占空比設定為1000，并通過開關器件驅動電路完成電力電子開關器件的控制，并且將所需信息傳送給微處理器。隨著較小占空比的設定，電流會逐漸減小。當電流小于過流返回設定值180A時，進入步驟3。

步驟3：FPGA中的逐波電流限制功能退出，開關器件的占空比維持原值不變。

優選的，模數轉換的采樣頻率為100kHz-1Mhz，其速度取決于AD芯片轉換速度，以及FPGA的運算速度。模數轉換的采樣速度越快，控制精度越高，但是AD芯片的成本也高，可根據應用場合擇優選取。

本發明利用數字化電路取代傳統的模擬比較電路完成電力電子器件的逐波限流功能，其可行性與特點包括：

（1）AD芯片采樣率已經達到數百kHz，甚至MHz級別，利用數字化方法實現逐波電流限制，與模擬電路相比，采樣部分已經沒有技術上的阻礙，且選用多通道的AD芯片后，可一次實現多個開關器件的電流檢測，為實現多個器件的逐波電流限制提供支持；

（2）利用軟件程序實現傳統的模擬電路式逐波限流電路，避免了復雜的模擬電路設計，可以同時實現多個器件的逐波電流限制保護，且后期也可方便實現系統功能升級；

（3）數字化后，逐波限流功能可以加入更為復雜的算法，以及高效的容錯機制，可進一步提高系統的安全穩定性；

（4）FPGA可與微處理器交互信息，逐波限制電流的過流數值、返回數值，以及最小脈寬的數值均可以根據不同應用對象進行離線或者在線修改，發生過流事件以及過流返回后，FPGA也可及時向微處理傳送信息，由此可進一步提高控制系統性能；

（5）微處理器型號可以根據要求進行選取，與FPGA并列運行，FPGA也可以編寫控制算法，脫離微處理器單獨運行。

以上實施例僅用于說明本發明的設計思想和特點，其目的在于使本領域內的技術人員能夠了解本發明的內容并據以實施，本發明的保護范圍不限于上述實施例。所以，凡依據本發明所揭示的原理、設計思路所作的等同變化或修飾，均在本發明的保護范圍之內。