解决方案丨高校电力电子实时仿真创新实验系统应用

随着数字技术的飞速发展，传统实验室的资源受限和效率低下已经不能满足科研和工程实践的需求。因此，基于数字化技术的仿真实验应运而生。

电力电子实时仿真实验

电力电子实时仿真实验是一种利用仿真软件和相关设备进行电力电子系统仿真和实验的虚拟实验室。它主要用于电力电子器件、电力电子系统和电能转换技术的研究、开发和教学。

实验课程

Easygo 电力电子实时仿真实验系统提供了配套的课程实验指导书以及教师版实验参考。由于实时仿真系统平台的开放性，用户还可以自己添加更多的教学或创新型的实验内容。所有实验均包含离线程序，控制算法实时程序，电路仿真实时程序等。

教学应用方向

电力电子器件研究： 提升学科知识和理解可以模拟和分析各种电力电子器件（如开关器件、变换器、逆变器等）的特性和性能，进行参数优化和设计验证。

电力电子系统设计： 培养创新思维和解决问题的能力通过仿真实验室，可以对电力电子系统（如电力转换装置、电动车驱动系统、太阳能逆变系统等）进行建模和仿真，验证系统的稳定性和效能。

控制策略研究： 培育创业精神和实践能力仿真实验室可以模拟电力电子系统的控制策略，评估不同的控制算法和参数对系统性能的影响。

教学培训： 激发学生学习兴趣和主动性电力电子仿真实验室可以作为电力电子专业的实践教学平台，帮助学生理解和掌握电力电子技术和电路设计的基本原理。

综上所述，电力电子仿真实验具有高效、安全、可控和多功能的特点，对电力电子研究和教学具有重要意义，能够推动电力电子技术的发展和应用。

基于EasyGo的电力电子仿真实验系统

EasyGo实时仿真实验系统旨在为电气相关专业的本科生和研究生提供技术领先、性能优异的创新实验平台，基于该建设方案构建的创新实验基地，能够辅助本科生和研究生进行、选修课的教学和实验。

EasyGo电力电子实时仿真实验系统是一种基于V型架构构建的实验系统，是现有各种教学与科研实验室的数字化和虚拟化。

其基本原理是用运行着数学模型的实时仿真器来模拟实际电力电子系统的特性行为和各种工况，同时将控制算法模型通过快速控制器进行验证，两者通过实际的I/O接口连接，来进行闭环的测试验证。

平台架构

学生学习路线

电力电子实时仿真实验系统

1、快速原型控制器（RCP）

CBox 采用实时CPU+FPGA的硬件架构，将Matlab/Simulink搭建的电力电子控制算法模型自动生成与下载，无需进行底层代码编写和硬件控制电路设计，与实际的被控对象连接来进行闭环测试，快速实现算法原理验证。

2、实时仿真器 (HIL)

MicroBox 采用FPGA芯片架构，用来仿真电力电子主电路拓扑。电路模型通过Simulink图形化软件任意搭建，无需进行FPGA编译，将电力电子电路的暂态特性通过硬件接口输出，操作简单，节省学生搭建实物电路的时间与精力。

3、物理信号转接盒

用于仿真器与控制器之间传递信号，控制器采集电压电流信号，实时运算后输出控制指令，再通过转接盒将信号传给仿真器。同时配备BNC观测端，方便学生在实验中用示波器观察实际信号，对系统运行原理有更直观的认识。

4、上位机

用于运行DeskSim实时仿真软件，通过网络将不同模型部署到不同的硬件平台上，并对模型进行配置与实时监控，并可将数据进行存储于后续分析。

核心产品1：快速控制器CBox

快速控制器CBox采取CPU+FPGA的硬件架构，帮助用户在安全舒适的实验室快速调试和验证控制算法。

平台的独特优势：

▍丰富的模拟与数字信号接口

▍灵活配置的人界交互与配置界面

▍可将算法模型程序部署到CPU或FPGA硬件平台上运行

控制速率最快可达1MHz，满足不同应用需求的客户，助力先进控制算法在电力电子与电力传动领域中的科研教学中的创新实践。

利用快速原型控制器CBox 可以将Simulink控制算法模型快速实现验证，与实际的被控对象连接来进行闭环测试。

可为用户节省在嵌入式芯片上重新编写和实现算法过程的时间；在一个验证过的硬件平台上开发，既可以加快项目周期，也可以隔离开发过程中的软硬件问题；

同时，用户可以很方便地在上位机实时控制器上，观测各种变量和波形，省去用户编写上位机界面的时间与精力，可更好的集中精力在核心的控制算法的实现和调试上。

核心产品2：实时仿真器MicroBox

MicroBox 是一款一体化电力电子FPGA实时仿真产品，可与实际设备进行连接来进行控制算法的实时验证。

配置上DeskSim软件，可完成系统电力电子模型纳秒级运行，实时调参，数据记录等功能，从而进行半实物仿真，硬件在环测试。

Hardware-In-the-Loop Testing，即HIL。

MicroBox 通过IO信号或者通信同控制板构成闭环，来对弱电的控制器进行测试。

这样一种测试方式常常也被称为控制器硬件在环仿真测试测试或半实物仿真测试。这里“硬件”主要是指控制部分，已经不是纯软件仿真中的一些控制框图，而是一个真实的控制器或者快速原型控制器。

软件使用流程

不管是快速控制器,还是实时仿真器，均采用同一款的软件DeskSim操作即可，简单2步，即可完成实验。

产品特色

为本科生的双创工作、毕业设计提供实验平台。

适合相对复杂的并网型系统实验和故障实验，无需各种平台或模块切换，直接快速服务于教学与研究工作，打通产学研一体化的培养路线。

为科学研究提供了完整的实验样机研制流程和测试条件，加快科学研究的实验进程，有利于创新思想的快速验证,全方位培养学生的动手实践和设计创新能力，实现研究型人才的多元化培养目标。

支持设计型、研究型创新实验的开展,使仿真与实验同步，循序渐进，环环紧扣，提高实验的安全性，改变现有实验模式，有助于培养学生严谨、认真、安全的实验素质，适应创新型人才和卓越工程师的培养需要。

贯彻以产出为导向”,“以学生为中心”和“持续改进”的理念，提高实验室教学技术水平，助力工程教育专业认证。

开尔文接法（Kelvin connection）在电力电子中的应用详解；

大家好，今天我们来聊一下开尔文接法（Kelvin connection）在电力电子中的应用。“开尔文”这个名字，大家应该并不陌生，高中物理应该都需学过，开尔文（Kelvins）为热力学温标或称绝对温标，是国际单位制中的温度单位，符号为K。开尔文温度和我们习惯使用的摄氏温度相差一个常数273.15，即T=t+273.15（t是摄氏温度）。开尔文是以英国工程师和物理学家开尔文勋爵（威廉·汤姆森） 名字定义的，让我们先瞻仰一下这位伟人的肖像。

今天我们要谈的开尔文接法和这个热力学温度单位没有关系，但是却和这位物理学家有关。故事源于威廉·汤姆森在1862年利用单臂电桥测量小电阻时， 遇到的一些问题。他发现引线电阻和连接点处的接触电阻超过了被测电阻值，导致测量结果误差非常大。然后，他发明了一种桥式电路测量方法，解决了该问题，此电路被称为汤姆孙电桥，后因他晋封为开尔文勋爵，故又称开尔文电桥。

开尔文电桥的测量原理如图2所示，其中R为待测电阻，Rl为测量线缆的电阻。首先通过一个激励电流源给待测电阻R通入一个恒定电流I1，然后再测量电阻R上的电压，根据欧姆定律就可以计算出待测电阻值。该方法测量精度高的原因是因为测量回路是电压表，阻抗很高，回路电流I2基本为0。激励源电流I1基本没有任何分流的通过来待测电阻R，只要电流源和电压表足够精确，计算出的电阻值也是很准确的。

图1 开尔文电桥测电阻原理

这种将测量回路和激励源回路分开的四线接法 ，也称为开尔文接法 。为了体现这种接法的优势，让我们再看看平常我们使用的万用表测量电阻原理。万用表内部一般会有一个电压源或电流源，当给待测电阻一个电流源时，测量电压就可以计算出电阻。相反，当给一个电压源时，测量电流也可以计算出待测电阻。图2为第一种方案，可以看出通过电压表和电流源计算出的电阻包含了线缆（表笔）电阻，这种接法就是两线式接法 。两线式接法适合测量欧姆级别以上的电阻，对于毫欧级电阻就无能为力了，因为表笔的电阻还有接触电阻都有可能超过待测电阻。

图2 两线式测电阻原理

通过对比可知，开尔文接法测量电阻的精度要远高于我们常用的两线式测量方法，主要是因为开尔文接法将测量回路和激励源回路进行了解耦处理，消除了线缆电阻和接触电阻对待测电阻的影响。 大家明白了开尔文接法后，让我们回到主题，看看开尔文接法在电力电子中有哪些应用？

1、高精度电流测量

电力电子应用中的电流测量方法有很多种，在这里我们主要说一下电阻采样法。通过电阻测量电流具有结构简单、易实现、成本低、高带宽的优点。一般来说，测量中小电流的称为电阻（阻值大，欧姆级别），测量大电流的电阻称为分流器（阻值小，毫欧级别）。由于分流器电阻很小，因此PCB焊接，布线，都会影响电流的测量。对于常规的2引脚的分流器电阻需要通过PCB布线实现开尔文连接 ，如图3所示。

图3 无开尔文引脚的分流器PCB布线

对于一些精度要求较高的应用，制造商提供了带有四个端子的分流器，在器件内实现开尔文连接，如图4所示，这样我们将两个端子的线引出即可。

图4 具有开尔文引脚的分流器PCB布线

2、功率半导体器件封装设计

我们所熟知的功率半导体器件IGBT或MOSFET都是三端口器件，门极（栅极）、集电极（漏极）和发射极（源极），然而实际的器件并不全是3个引脚的，有些器件会有4个引脚，多出来的那个引脚一般就是开尔文发射极（源极） ，也称为驱动发射极（源极） 。

在这里我们以TO247封装为例，来聊一下是开尔文发射极（源极） 的作用。图5 为CREE新推出的两个SiC MOSFET器件，电压和电流等级都一样，封装有所不同。

图5 TO247-3和TO247-4封装

两种器件封装的等效电路如图6所示，其中Ls1为mos内部芯片源极至外部引脚功率源极S的杂散电感，一般在10nH以内。细心的小伙伴可能会发现在TO247-4封装的开尔文源极也有寄生电感啊，你为什么没有画出来？是的没错，这个电感确实是存在的，但这个电感对MOS的开关过程基本没什么影响，至于为什么后面会讲到。

图6 TO247-3和TO247-4封装等效电路

让我们先看一下寄生电感Ls对TO247-3封装器件开关暂态的影响。SiC MOSFET开通和关断暂态漏极电流ID在寄生电感Ls上的感应电压方向如图7所示。

图7 TO247-3封装开关暂态分析

开通暂态，漏极电流ID会在杂散电感Ls1产生上正下负的瞬态电压；关断暂态，漏极电流ID在杂散电感会产生上负下正的瞬态电压。这两个瞬态电压VLs会减小真实的栅-源电压VGSint。

例如在开通过程中，如果栅极开通Vgon为15V，开通电流上升率为1A/ns，寄生电感Ls1为5nH，当忽略栅极电阻电压时，真实的栅-源电压VGSint只有10V。开关暂态Sic MOSFET芯片内部栅-源电压更详细的公式如下：

让我们再看看TO247-4封装的SiC MOSFET，见图8。虽然漏极电流还会在电感Ls1上产生电压，但该电压根本影响不到栅极驱动回路。栅极电流虽然也会在开尔文源极的杂散电感Ls2产生电压，但是这个电流和漏极电流还不是一个数量级，而且栅极电流变化较快的时候，器件还没有开通，因此这个电感对栅极驱动影响很小，可以忽略。

图8 TO247-4封装开关暂态分析

通过对比两种封装的开关暂态可知，具有开尔文源极的器件开关速度会更快，损耗会更小，效率自然也会更高。 大家不要小看这么小的杂散电感，它带来的影响还是很大的。图9为ROHM公司采用两种不同封装但芯片一样的SiC MOSFET的开关损耗对比结果。可以看出具有开尔文端子的器件开关损耗有明显改善，而且电流越大时效果也会越明显。

图9TO247-3和TO247-3封装开关损耗对比[1]

看到这里大家应该都明白了，开尔文源极可以将驱动回路和功率回路有效解耦，这样功率侧电流的变化就不会影响到栅极驱动回路了， 是不是和开尔文测量电流的原理有异曲同工之处？虽然具有开尔文端子的器件相比普通的封装效率更高，但也有缺点，例如由于关断速度快，尖峰自然也会更高一些，当发生短路时，器件的耐受能力也会更低一些，至于为什么大家可以去分析一下。

最后再给小伙伴们看个大家伙，加深一下对功率器件开尔文端子的认识，图10为ABB 4.5kV 1.2kA的IGBT模块，对外一共有9个端子，其中功率端子C和E各3个，是为了增大电流而设计的，辅助集电极端子c用于短路退饱和检测，门极g和开尔文辅助发射极e用来控制IGBT开通和关断。