数字化控制技术在电力电子电路中的应用研究

余秋熠

（河南艺术职业学院，河南 郑州 451464）

1 数字化控制与电力电子电路简述

所谓的电力电子电路实际上是指在相关的技术支持与引导下，实现对电能幅值、频率等重要参数修改与调节的一种电路系统。众所周知，电能在转化时的功能有所差异，根据这种差异也可以将电力电子电路划分为不同的类型。同样，电能的转化次数也有所不同，以此为基础也能够将电能分为不同的形式。就组合变换电路而言，其通过多次转化才能够实现预期的目的，所以其也被称之为间接变换电路。而对于基本变换电路而言，主要是通过一次转换来对电能进行转换。根据组成电路器件的差异，电力电子电路也可以分成半控型、不控型以及全控型变换电路[1]。电力电子电路的发展已经经历了3个主要阶段，对应的时间段分别是20世纪30年代、20世纪60年代以及20世纪80年代。第一代电力电子电路主要处于变流电路阶段，第二段电力电子电路则处于半导体交流电路阶段。自20世纪80年代以来，随着可关断晶闸管以及功率晶体管技术的成熟，由其组成的第三代电力电子电路也开始大规模的普及与应用。就电力电子电路的实际应用而言，可以总结出4个主要特点。第一，大量新型器件的应用；第二，新的控制方法及控制手段的升级；第三，电路结构的创新；第四，调试手段以及分析方法的优化[2]。

该系统通常有控制电路和主电路组成，其中主电路用于能量的传输，而控制电路则主要通过触发信号的方式去控制和调节主功率开关，以此来实现电路的有效输出。众所周知，我国电力电子电路行业的起步较晚，所以相比于一些西方发达国家，我国相关领域的技术以及实践经验都有所欠缺。其主要在电路系统中表现为工作频率较低、电路功率因素较低以及动态响应速度较低等状况。这些问题的存在也是今后相关工作开展的巨大阻力。当前，随着大功率晶体管等控制技术的日益成熟，大功率晶体管本身所具备的快速运算、信息储备能力也为电力电子电路的发展提供了可靠地支持[3]。

随着相关技术的不断发展，电力电子电路已经从最初的相位控制逐步的过渡到分立元件控制的阶段。随着相关工作的不断推进，时至今日已经逐步形成了集成控制器。在传统的技术条件下，电力电子电路技术主要应用的是模拟控制方法，这与当前的数字化控制也有着明显的差异。随着数字化控制技术的不断成熟和应用，不仅能够有效地消除温度漂移等传统模拟控制模式下难以解决的问题，而且该技术对于变参数的调整也能够起到十分关键的推动效果[4]，同时也能够十分直接、明显地推动系统安全性和稳定性的提高。

2 数字化控制技术在电力电子电路中的应用分析

2.1 单片机及其应用

单片机也可称之为单片微控制器，其本身是一种带有逻辑能力的小芯片。单片机在电力电子电路中的应用，也表现出了巨大的价值与功能。单片机对电力电子电路系统所起到的推动作用也是具有颠覆性的。同时，单片机质量轻、体积小等特点也有助于其在更多领域的应用。此外，单片机在该领域的应用也促进了计算机系统软件的开发和升级，借助于单片机，我们也能够就对应电脑系统的构造与原理展开进一步的剖析。

单片机在电力电子电路系统中的主要作用体现在两个方面，分别是调节电压电流、数据运算处理。这二者的有效控制也是电路系统有效运行的基础与前提。同样，伴随着数字化控制技术在电力电子电路中的应用，也间接成为了推动DC变换器升级与革新的助力。而随着双调制高频PWM控制方法的升级与应用，PWM中精度与高频二者之间所长期存在的矛盾也的得到了有效的控制与缓解[5]。

在其他领域的发展实践中，单片机也有着不俗的应用效果，如工业测控以及智能仪器等领域的应用价值都十分理想。由于单片机极大程度上突破了传统模拟电路中的局限和不足，通过数字化的控制方式极大地提升了电路控制的水平质量。在智能家居形势的一片向好的状态下，单片机在这一领域内的发展前景也值得关注。值得一提的是，当前单片机的应用也存在一定的升级空间，因为其自身在工作频率、控制精度之间的平衡问题还有待提高。如何进一步的提升单片机的应用效率，这也需要今后研究工作的进一步探索与保障。

2.2 SG3525芯片的应用

SG3525芯片作为一款性价比较高的控制软件，其所具备的诸多安全性能也使其自诞生以来便饱受关注。在实际的应用中，该软件所具备的电源保护、软启动控制以及驱动过流安全性等功能也决定了其应用范围与价值。但是由于该软件的芯片是由驱动电路组成的，所以当出现与主开关变换器间距较小的时候，因为电磁信号会对变换器造成影响，继而对驱动脉冲的频率造成干扰，所以如何有效的处理二者之间的关系也尤为重要。基于这样的前提，可以通过增加内部振荡器充电电容的方法去均衡放电电阻。而利用降低放电电阻的方法去维护后续工作的形式，也能够有效的控制SG3525芯片驱动脉冲出现故障的可能。就电力电子电路而言，通常情况下，驱动电路都是通过隔离室来进行驱动[6]。但是就SG3525芯片而言，不难发现，其自身的驱动能力在一定的情况下，是无法满足电力电子电路高标准的需求。在这个情况下，就可以通过放大电路的方法去确保和维护线路传输的完整性与安全性。

2.3 可编程门列阵的应用

可编程门列阵的简称为“EPGA”，其最早脱身于EPLD、GAL编辑器。作为一种延伸与创新的产物，可编程门列阵的应用也极大的满足了新时期集成电路的发展诉求。伴随着可编程门列阵的应用，一些定制电路中存在的问题也迎刃而解。可编程门列阵作为一种可重构器件，因内部强大的逻辑功能，所以在面对不同使用者的不同需求时也能够表现出好很好的反映。这也使其具备了处理速度快、集成效率高等显著特点。

高集成度是可编程门列阵的重要应用特征。这就意味着在面对一些复杂的等效门时，可以凭借其自身的优异性能来进行科学的处理，以此来加快分立元件线路以及多块集成电路的形成。不仅如此，借助于VHDL技术，可编程门列阵还能就电路系统本身进行更进一步的设计与优化。根据其使用特性，可编程门列阵也可分为三个等级：门级描述、RTL描述以及行为描述。在具备了相关的要素与条件之后，电力电子电路也可进行这三个层次的混合仿真处理。这也能够进一步的保障电力系统的安全与稳定。

2.4 电力电子电路中DSP控制

数字信号器在近年来得到了广泛的应用，是一种全新的可编程式处理器。数字信号处理器最大的亮点在FIFO缓冲器以及波特率发生器。二者的融入，让该处理器的应用效率得到了质的飞跃。不仅如此，处理器本身还设置有标准异步串口和高速同步串口。这相比于单片机，其在存储容量、响应速度以及集成度等方面的优势也是十分巨大的。

作为一种精简指令的计算机系统，大多数的DSP指令都是在一个周期内完成的。此外，DSP独特的设计结构，也使其具备了独立的数据空间和程序，这也意味着其能够同时进行程序和数据的储存。硬件乘法器的设置，也能够极大程度上保证系统的运算能力。相比于16位的单片机，DSP在执行单指令时的效率要快十倍左右[7]。

在电力电子装置中，DSP主要用来提供系统通信、系统监控保护以及主电路控制等服务。DSP的应用也主要在UPS逆变控制以及交流电机调速等领域。在实际的应用中，尽管DSP表现出了优异的性能，但是系统本身采样频率的选择、采样延迟以及运算时间、精度等问题的限制，DSP的应用同样也存在一些局限。

3 电力电子电路控制技术发展探析

一如章节2所示，当前电力电子电路控制领域中，单片机、EPGA、DSP等技术的应用已经取得了较为可观的成果，相比于以往的模拟控制电路，上述技术的应用价值也赢得了普遍的肯定。随着行业发展的不断加速，高频化以及复杂化的趋势也愈发的明朗。这就意味着单一芯片的应用将很难取得理想的控制效果。为此加强不同芯片之间混合使用研究也就颇具现实意义。实际上，任何芯片之间的混合使用都是为了获取更好的性能，而这实际上也是今后控制电路领域的必然发展趋势。

3.1 单片机+DSP结构

一如章节2所示，单片机与DSP在实际的应用过程中在不同的领域都表现出了优异的性能，但是同样二者也各有各自的短板。所以二者的有效结合也能够取得理想的效果。例如，在UPS中，DC/DC、AC/DC的控制可以采用单片机，而DC/AC的控制则可以选用频率更高的DSP芯片。

3.2 DSP+FPGA结构

一如章节2所示，DSP最大的特点在于较高的灵活性。当其与具备硬件高速性的的EPGA相结合时，优势互补之下也能够满足于更高级别的需求。所以二者之间的结合能够极大程度上促进系统软、硬件之间的关系，同时在应对不同的算法之时，也能够表现出较强的适应能力。

3.3 嵌入DSP模块的EPGA

将DPS模块嵌入到FPGA中，意味着FPGA与基本数字信号处理功能相衔接，在这样的基础上，使得FPGA所能提供的DSP性能有了质的飞跃，这也是当前主流DSP提高性能的有效选择。

4 结 论

高效的控制方法一直以来都是电子电子电路领域的追求，这对于电路性能的提高也是必然的路径。就当前电子电子电路的发展而言，数字化的控制技术无疑能够极大的推动行业的进步，本文所述内容皆立足实践，即围绕电力电子电路的发展实际，就数字化控制技术的应用及今后的优化措施展开了简要的探析，希望能够通过想过要研究工作的开展，助力于电力电子电路领域未来的发展。