劉 濤 蔡 燕 李龍女 朱高嘉 熊嘉偉

(天津工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 天津 300387)

“電力電子技術(shù)”和“電機拖動”課程是電氣工程與自動化專業(yè)的主干課程，應(yīng)用范圍涵蓋電動汽車、工業(yè)自動化、電力系統(tǒng)、新能源發(fā)電等多個工業(yè)領(lǐng)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(jié)構(gòu)、工作原理、控制方法、設(shè)計方法及實驗技能的學(xué)習(xí)與掌握，課程注重實踐技能培養(yǎng)，其教學(xué)與實驗水平直接關(guān)系到專業(yè)人才的質(zhì)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(jié)構(gòu)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?qū)Ｓ眯酒瑹o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(shù)現(xiàn)狀。上述原因使得電力電子課程的實驗內(nèi)容與實驗流程單一，與工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展相互脫節(jié)，無法培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。針對這一問題，美國、歐洲部分機構(gòu)以提高學(xué)生實踐能力為目的，采用新技術(shù)，實現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用與實驗教學(xué)相互協(xié)作，并提出了相關(guān)課程改進計劃[8-9]。在國內(nèi)，部分院校針對電力電子課程進行了相關(guān)實驗裝置的開發(fā)[10-11]。

與此同時，隨著計算機仿真技術(shù)的發(fā)展，代碼生成技術(shù)逐漸應(yīng)用于電子信息類專業(yè)的實驗教學(xué)中，增強了理論教學(xué)與實踐教學(xué)之間的聯(lián)系[12-13]。

為此，結(jié)合最新的寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)，設(shè)計了一種能夠靈活實現(xiàn)多種電力電子拓撲結(jié)構(gòu)的模塊化實驗教學(xué)平臺，拓展了實驗范圍。在此基礎(chǔ)上，采用代碼生成技術(shù)，實現(xiàn)了變流器硬件設(shè)計與控制程序設(shè)計、仿真分析與實驗驗證的緊密結(jié)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(guān)課題研究。

1 模塊化電力電子實驗平臺基本結(jié)構(gòu)

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

圖1 模塊化電力電子實驗平臺的設(shè)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(qū)動芯片、光電耦合器、隔離電源模塊等部分集成為一體，并設(shè)計主電路接口、驅(qū)動電源接口、控制信號接口。在此基礎(chǔ)上，對應(yīng)變流器拓撲結(jié)構(gòu)，將多個分立式模塊進行組合，構(gòu)建主電路拓撲結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)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(jié)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(xiàn)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(xiàn)所構(gòu)建電力電子拓撲結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)；右：主控板結(jié)構(gòu))

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(shù)計算、PWM生成、AD轉(zhuǎn)換等功能；FPGA能夠?qū)崿F(xiàn)可定制的數(shù)字邏輯電路，用于PWM信號擴展、死區(qū)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(shù)據(jù)接口、通用IO接口，能夠?qū)崿F(xiàn)電機閉環(huán)控制、上位機通訊等功能。

實驗平臺的技術(shù)特點和優(yōu)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(xiàn)AC/DC、DC/DC、DC/AC、AC/AC多種電力電子拓撲結(jié)構(gòu)。另外，可以減少電氣隔離、散熱、保護等方面的設(shè)計復(fù)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(guān)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(xiàn)系統(tǒng)平臺小型化。

(3)可復(fù)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(diào)換實驗箱，學(xué)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(jié)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(shè)備的可能性，避免了學(xué)生在電氣測量時可能出現(xiàn)的示波器探頭“不共地”情況，使學(xué)生專注于電力電子拓撲結(jié)構(gòu)、開關(guān)狀態(tài)切換順序、換流機理等內(nèi)容的理解上，提高了學(xué)習(xí)效率和效果。

在此基礎(chǔ)上，將Matlab/Simulink代碼生成技術(shù)與DSP編程環(huán)境Code Composer Studio相結(jié)合，可使虛擬形式的電力電子仿真模型轉(zhuǎn)換為DSP控制程序，使學(xué)生將重點集中于控制算法分析上，簡化變流器控制系統(tǒng)的軟硬件學(xué)習(xí)過程，如圖3所示。

圖3 基于Matlab/Simulink代碼生成技術(shù)的開發(fā)環(huán)境與實例

2 課程實驗教學(xué)實例設(shè)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(xiàn)某些變流器拓撲結(jié)構(gòu)中二極管、雙向開關(guān)等器件功能，如圖4所示。

圖4 分立式模塊實現(xiàn)其它功能電力電子開關(guān)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(guān)斷信號(實現(xiàn)二極管功能)，結(jié)合濾波電感和直流支撐電容，實現(xiàn)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(gòu)建的兩個分立式模塊；③表示Matlab/Simulink環(huán)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(jié)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(gòu)建三相逆變橋，并結(jié)合濾波電感和直流支撐電容，實現(xiàn)DC/AC逆變器，如圖6(a)所示。使用12個分立式模塊，分別構(gòu)成三相逆變橋和二極管整流橋，結(jié)合直流支撐電容、濾波電感、濾波電容，可實現(xiàn)DC/AC/DC變流過程，如圖6(b)所示。

圖中，①～⑤所表示的內(nèi)容與圖5中的DC/DC降壓斬波變換器相同?？梢钥吹?，通過改變分立式模塊的連接方式，能夠?qū)崿F(xiàn)新的拓撲結(jié)構(gòu)，同時，結(jié)合代碼生成技術(shù)，使原理分析、硬件設(shè)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(shè)計和軟件編程環(huán)節(jié)，使學(xué)生能夠?qū)Ｗ⒂谧兞髌鞯墓ぷ髟矸治龊蛯嶒烌炞C。

2.3 其它拓撲結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)

實驗平臺具有18個分立式模塊，可實現(xiàn)更為復(fù)雜的變流器拓撲結(jié)構(gòu)，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(fù)雜的拓撲結(jié)構(gòu)，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(qū)動系統(tǒng)。

3 實驗教學(xué)流程

實驗教學(xué)力求增強其與多門課程之間的聯(lián)系，提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力，基本流程如下：

(1)組織學(xué)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(shù)字電路”“電工電子實習(xí)”等課程相聯(lián)系。

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

(3)分組進行硬件電路搭建、代碼生成與程序調(diào)試。該過程與“單片機原理”“C語言程序設(shè)計”課程相聯(lián)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(qū)動系統(tǒng)圖7 其它拓撲結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)

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

4 結(jié)語

針對傳統(tǒng)電力電子實驗教學(xué)中存在的問題，對實驗平臺進行重新設(shè)計，基于模塊化設(shè)計思想與代碼生成技術(shù)，研制了一種模塊化電力電子實驗平臺，并設(shè)計了相關(guān)教學(xué)實例和教學(xué)流程。相比傳統(tǒng)實驗教學(xué)平臺，該平臺實現(xiàn)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(xué)緊跟工業(yè)領(lǐng)域和學(xué)術(shù)領(lǐng)域發(fā)展，有利于提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。