大家好，很抱歉上周末没有及时更新公众号，本来这期想聊聊IGBT的拖尾电流，但是由于周末去深圳高交会(高新技术成果交易会)逛了一天，时间给耽搁了，感觉要想把拖尾电流讲清楚也不太容易，还得需要点时间，为了保证不断更，这次我们先换个简单点的话题，聊聊FPGA在电力电子中的应用，赶快把上周的作业补上。

在这里CPLD就不说了，因为两者应用场景差不多，只是资源多少的问题。

为什么想到这个话题呢？主要是这次参加高交会勾起了大学时代的很多回忆。

这次展会重点展示了节能环保、新一代信息技术、高端装备制造、新能源、新材料等领域的先进技术和产品，最吸引眼球的还属人工智能、大数据、云计算、机器人这些领域。

想想这些年一直在埋头搞电力电子，一抬头感觉错过了好多东西！当然在其它方面也收获了很多，总体感觉人工智能和大数据真的离我们不远了，有些已经在生活中有所应用，只是我们没有察觉到。

当看到这些高科技产品，首先想的就是它是怎么实现的，用的什么处理器?总有点想拆了一探究竟的欲望!或许也是这些年一直搞硬件养成的思维习惯吧！

硬件核心的东西是什么呢？MCU、ARM、DSP、FPGA还是ASIC？当这些名词在大脑浮现出来时，记忆回到了大学时代，那会儿是对单片机真的热爱啊，AT89S51, Mega8, Mega16, MSP430....还有那些和自己参加电子设计竞赛一起奋斗的好友...满满的回忆

后来读研究生用到了DSP，FPGA，业余时间还喜欢搞搞ARM，研究一下嵌入式系统。读博以后开始搞电力电子硬件这块，和这些芯片打交道也就慢慢变少了，但是偶尔还会做块板子，用到TI C2000 DSP和Xilinx FPGA。搞电机控制的对DSP都比较熟悉了，而FPGA虽然也是软件编程，但是它更需要硬件数字电路的思维，可能好多人对这块理解也不够深入。所以电力电子领域懂FPGA的人要远少于懂DSP的。

掐指一算，自己踏入电力电子领域也已经将近10年了，那干脆就聊聊FPGA在电力电子中的应用吧，希望能对大家有所启发。

首先，看看做FPGA的知名企业有哪些呢？搞这块的应该都知道，早些年全球FPGA市场基本被美国“两大两小”四家公司垄断。

其中“两大”指的是Xilinx和Altera，因为这两家公司占据了80%的市场份额，而“两小”指的是Lattice、Actel，在随后的几年中，一连串的并购改变了FPGA市场格局。

2010年，Microsemi以4.3亿美元收购了当时市场排名第四的Actel；

2015年，Intel以167亿美元收购排名第二的Altera；

2020年，AMD以350亿美元收购排名第一的Xilinx。

美国四大巨头已经三家被并购了，就剩下Lattice一家逼格不够高的目前保持独立。

FPGA为什么会被这些大的半导体公司收购呢，首先看一下Intel收购FPGA的原因：：

① FPGA的器件架构决定了是内存以外极少的可以持续利用摩尔定律的器件；

② 新的计算范式如数据中心需求和神经网络等智能计算方法都非常适合FPGA架构；

③ 贴近物理层与数据融合的物联网应用。

详细原因可以知乎搜“怎样理解Altera被intel收购”。

英特尔收购Altera后，在数据中心、5G通信、物联网和车载芯片等领域开疆拓土，让AMD和Xilinx都倍感压力，这也是为什么AMD会收购Xilinx。

事实上，这些大的半导体公司在很多年以前就已经开始布局这些高端领域了。你去Xlinx主页看，很难找到一个适合于我们工业用的低成本的FPGA或CPLD，反而Lattice走中低端市场，可选型号非常多。国产FPGA这些年发展也比较快，目前还没有机会用到，就不作过多评论了，希望以后有机会可以多尝试国产芯片。

回到主题，相比这些高大上的应用，FPGA在电力电子中应用又有哪些呢？

大概总结了一下，主要有以下几个方面：

1、PWM脉冲发波

PWM脉宽调制技术，大家都不陌生了，无论电机控制、开关电源、UPS等都会用到。

目前大家最熟悉的应该是TI的C2000 系列DSP。通过配置DSP的EVA和EVB事件管理器就可以发出PWM波。然而，对于一些特殊的脉宽调制技术例如DPWM，有些器件可能难以胜任。正因为如此，TI C2000的PWM输出也在不断优化，从早期的EPWM type0优化到目前最新的type4[1]，通过不断改进，使得PWM发波更加灵活，

另外，对于有些多电平应用，例如五电平、级联H桥，MMC等拓扑，单个DSP能够输出的PWM数量有限。针对以上这些问题，FPGA就可以派上用场了，FPGA可以输出任意你想输出的波形，因为DSP的所有寄存器对于FPGA来说都可以通过硬件实现，数量也无限制(当然你的FPGA 输出引脚要足够多)。

2、A/D采样控制

在电力电子控制器开发过程中，AD芯片作为搭接模拟和数字的桥梁，其性能的好坏，将直接影响整个系统的性能。对于一些成本控制较高的应用，例如通用变频器，一般采用DSP的片内AD就够了。

而对于有些性能要求较高的应用，例如伺服，一般需要更高的采样精度和带宽。而对于源滤波补偿装置，为了达到较好的补偿效果，往往需要多通道同步采样。

以上这些特殊需求，DSP片内AD可能会受到一定的限制。这时候通过FPGA外扩AD芯片就会方便很多，根据AD芯片通道数，可以配置一片或多片，这些芯片一般集成了SPI或并行总线接口，通过FPGA控制AD时序，DSP可以专心负责控制算法。

当然如果你有特殊的数字滤波算法需求，FPGA就更不用说了。

3、背板总线通信

对于有些大功率变流装置，例如风电变流器、中高压变频器等，控制器一般采用3U或6U机箱结构，机箱集成了处理器板卡、IO板卡、AD/DA采集板、通信板卡等等。这些板卡之间一般通过背板总线方式通信，由于电力电子应用并不需要类似交换机那种高带宽和吞吐率的通信需求，因此各家都会定义自己的总线通信方式，例如采用DSP的Xintf并行接口就可以访问各个板卡了。如果考虑做的更紧凑些，也可以采用串行总线，类似SPI。这时候采用FPGA作为接口协议芯片就非常灵活，可以解决各板卡芯片之间的接口时序不匹配问题。

在这里借用一张日本MyWay公司的产品图片，PE-Expert4，主要是因为这个机箱还有板卡设计的很漂亮。这是一款电力电子开发平台，主要用在实验室验证算法，相信后面的背板总线也采用了FPGA。

4、接口扩展

在控制器开发过程中，如果DSP或ARM的输出IO口不够用的时候，FPGA可以很好的解决这个问题。Lattice就有相应的案例，通过SPI和原有MCU进行SPI通信，可以拓展16个IO口，这些IO口可以配置为输入或输出，还可以产生中断，非常方便。

除了普通的IO拓展外，FPGA还可以轻松的实现对外通信，通过FPGA可以实现任意多路UART，SPI，I2C总线，轻松的实现板级芯片的访问。另外，一般专用的现场总线ASIC芯片配有SPI接口或并行总线接口(Intel时序或motorola时序)，通过FPGA访问这些ASIC即可实现各种现场总线。当然，你有能力也可把这些协议做进去，类似瑞典HMS把各种总线协议做进了自己的芯片内，非常方便。

5、先进控制理论

现代控制理论技术的发展，对电力电子技术的推动起着很重要的作用。例如最优控制，神经网络，模型预测控制等。这些控制理论往往需要的运算量较大，例如，模型预测控制(model predictive control，MPC) 通过构建多目标优化函数，对变换器的有限开关组合对应的系统未来状态进行评判，选择使目标函数值最小的开关组合作为下一个开关周期的开关状态，吸引了众多学者对其在电力传动领域的研究[2-3]。

但模型预测控制每个控制周期里需对系统所有可能的未来状态进行计算和评判，计算量庞大，如何减少计算量是目前模型预测控制研究的热点。这时候FPGA又可以大显身手了，只要你的逻辑门足够多，采用“速度换面积”的思想，FPGA就可以在一个时钟周期做完你所有的事情，咱就是这么牛。

6、中高压IGBT驱动

IGBT驱动电路作为大容量电力电子装置功率回路和控制电路之间的接口，其性能的好坏对IGBT的工作特性有很大的影响。传统的门极驱动采用固定门极电阻方式实现IGBT的开关控制，无法在电压、电流尖峰，器件损耗，开关延时，EMI等取得较好的折中。

近些年来，基于可编程器件FPGA或CPLD的数字型门极驱动正在逐渐被认可，并成功应用中高压领域，数字型门极驱动的主要特点分别为：主动门极控制和监控诊断功能[4]。主动门极控制是根据工作运行环境和工况，对 IGBT 开关过程进行主动精细化最优控制的一种方法，其基本思路是把 IGBT 开通过程和关断过程分别划分为几个不同的阶段，针对某一问题只需对相应的阶段进行独立的门极调控，对其他参数产生很小的(甚至不产生)负面影响。监控诊断功能是对IGBT运行中的关键参数进行监测。当IGBT发生突发故障时，可以根据具体的参数实现故障的区分和定位。针对IGBT在运行中出现了的老化问题，通过对IGBT运行中的关键参数进行处理分析，实现IGBT的故障预测及健康管理。

目前采用数字型门极驱动厂家主要有中国Firstack，英国Amantys，德国Inpower，美国Agileswitch，感兴趣的可以自己去查看。

7、硬件在环(Hardware-in-Loop, HIL)仿真

目前，对于电力电子控制器的开发，基于模型的开发方式(Model based development)越来越成为主流。而在这个开发模式中，硬件在环仿真测试(Hardware-in-loop，HIL)是一种典型的测试方法。硬件在环仿真，是将真的控制器连接假的被控对象(用实时仿真硬件来模拟)，以一种高效、低成本的方式对控制器进行全面测试。为了提高仿真精度，需要模型尽可能的逼近真实物体，同时对模型的响应速度也有一定的要求，FPGA凭借着自身的并行处理能力，可以较好的胜任该工作。

举个例子：在电机驱动领域，可以在FPGA建立一个虚拟的逆变器模型和电机模型，与真实控制器连接后实时仿真，可以快速验证电机控制器的开发，只要你的模型足够准确，就可以骗过控制器，节省了硬件成本，同时也避免了由于操作不当造成的炸机风险。

8、高速电机控制

对于高带宽的电机控制应用，各个FPGA厂商也有配套的方案，例如Microsemi公司给出的用永磁同步电机Sensorless FOC方案，将FOC的各个模块做成IP核，供客户使用，环路的带宽在1us，器件的开关频率可达500kHz。

好了，今天就给大家分享到这里吧！总之，FPGA是非常灵活的，只要是处理数字信号的芯片，无论你是MCU、DSP、ARM或ASIC，它都可以胜任，而且速度还非常快。FPGA在电力电子中的应用虽不及人工智能、大数据看上去那么高大上，但也起着非常关键的作用，真正把FPGA用好也不太容易，让我们一起努力吧！

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参考文献：

[1] TI官网文档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] 曹晓冬. 大功率三电平 PWM 整流器模型预测控制方法[D]. 博士论文，2017.

[4] 丁荣军, 刘侃. 新能源汽车电机驱动系统关键技术展望[J]. 中国工程科学, 2019, 21(3): 56-60．