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嵌入式系统在电力电子变换器中的应用.docx
资料介绍
嵌入式系统在电力电子变换器中的应用
一、引言
电力电子变换器是能源转换和电机驱动的核心设备，嵌入式系统在其中负责 PWM 生成、控制算法运行、故障保护和通信管理。从 DC-DC 变换器到逆变器，从开关电源到电机驱动器，MCU 在电力电子变换器中扮演着控制核心的角色。电力电子对嵌入式系统的要求集中在高速 PWM（纳秒级分辨率）、实时控制（控制周期 1μs 到 100μs）和多重保护上。
二、PWM 生成与控制
高分辨率 PWM：电力电子变换器需要高分辨率 PWM 信号驱动 IGBT 或 GaN 功率管。MCU 的高级定时器支持死区插入、互补输出和刹车功能，分辨率可达 100ps 级别。PWM 频率从 10kHz（IGBT）到 1MHz（GaN）。
PID 控制：MCU 在控制周期内完成电压采样、电流采样和 PID 运算，更新 PWM 占空比。在 Buck 变换器中，PID 控制输出电压恒定；在逆变器中，PID 控制输出电流与电网同频同相。
PFC 控制：功率因数校正电路使用 MCU 控制 Boost PFC 电路，采样输入电压和电流，计算 PWM 占空比使输入电流跟随电压波形，功率因数达到 0.99 以上。
三、数据采集与保护
高精度 ADC：MCU 内置 ADC 同时采样多路电压和电流信号，采样率 1MHz 到 5MHz。使用 Σ-Δ ADC 实现高精度电流检测，分辨率 16 位到 24 位。
过流保护：MCU 在硬件比较器检测到过流时立即关闭 PWM 输出，保护时间小于 1μs。软件过流保护作为后备，在硬件保护触发后记录故障信息。
过温保护：NTC 温度传感器检测功率管温度，MCU 在温度超过阈值时降低输出功率或关闭变换器。
四、数字电源设计
数字电源：MCU 实现数字电源的全部控制功能，包括软启动、恒压/恒流模式和保护功能。数字电源比模拟电源更灵活，可以通过固件升级调整控制参数。
GaN 驱动：氮化镓功率管需要更高的开关频率（1MHz 以上）和更精确的驱动时序。MCU 的 HRPWM 模块提供 100ps 级分辨率，满足 GaN 驱动要求。
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