不再需要FPGA，用4个Cortex M4内核！

针对当数字电源应用对控制器提出的高算力需求，旋智科技（Spintrol）创新性地提出，使用多颗多核MCU处理器（ARM或RISC-V内核），通过采取合适的多处理器间通信同步控制机制(Inter Process Communication, IPC)，同样可以实现比肩传统FPGA+DSP架构的高算力，并且，这样的多MCU控制模块的开发平台及控制架构更统一，更灵活；控制模块的成本更低，物料单一化带来的优势也非常明显。同时，在旋智包含IPC机制的多处理器设计中，也仍然可以使用电力电子MBD技术。

MCU的计算性能，对于数字电源控制，特别是高频ACDC数字电源的控制至关重要。旋智科技凭借高性能的双核MCU产品系列，创新地应用多MCU芯片（共计4-8个CPU内核）协同计算技术，陆续将推出满足高性能数字电源控制的多种方案，涵盖高频单相/三相有源整流器及功率因数矫正电路(PFC)、数字有源滤波器(APF)及并网光伏、储能逆变器等高性能应用。

相比DCDC电源和离网DCAC逆变电源，ACDC数字电源类产品由于有并网需求，涉及的控制功能也更多，主要包括：电网锁相，电网谐波分析，电网和负载的谐振抑制，高带宽电流、电压环路控制，电网阻抗识别等

这些功能需要涉及多种数学计算，主要包括：数字锁相环(PLL)，快速傅里叶变换(FFT)，FIR/IIR数字滤波器，零极点环路补偿器(2p2z/3p3z compensator)，滞环控制器(Hysteresis Controller)，比例谐振控制器（proportional resonant controller），重复控制器(Repetitive Controller)，自适应滤波器(Adaptive Filter)等

在以碳化硅(SiC)及氮化镓(GaN) MOSFET为代表的快速开关器件大规模应用的趋势下，数字电源的效率和性能也达到了新的高度。这些新器件的特性，对电源控制MCU的算力也提出了新的要求，SiC及GaN器件的PWM开关频率可以轻松达到40kHz至数百kHz，为了充分发挥SiC及GaN器件的高频开关优势，数字电源的控制频率最好也能达到与功率器件PWM开关频率同频，甚至成倍提高的更高频率。这就要求MCU的算力相比当前产品成倍增加，计算时间大幅缩短。

然而，对于工业级MCU来说，由于工作环境、实时性及可靠性的限制，其CPU主频目前难以达到消费级CPU的2-3GHz水平，因此，行业通常采用FPGA+DSP等混合平台，通过将部分算法在FPGA中硬件化，来实现较高的数字控制频率，例如，业内常用FPGA来实现高频率电流控制，例如滞环电流控制(Hysteresis Current Control)等，DSP执行PLL等电网状态计算和系统控制，但是，FPGA+DSP的成本较贵，还需要专门的数字硬件工程师、开发环境和仪器来开展VHDL或verilog开发测试，除此以外，器件采购的选择相对MCU产品来说也少很多。

我们以数字有源滤波器(APF)开发为例，APF是一种用于并网条件下，主动补偿二极管不控整流等非线性负载产生的网侧高频谐波电流、提高功率因数、改善电网质量的设备。该类产品汇集了多项电网适应算法及高频高带宽电源控制的要求，因此可算是集数字电源控制技术之大成的典型应用之一。通常，APF设计采用FPGA+DSP+ARM的控制器架构，控制器总成本在数百元以上，且开发复杂。本设计中，我们采用2颗旋智双核Cortex M4F处理器，共4个高主频计算内核，可实现64kHz PWM开关频率的380V两电平SiC APF控制，在本控制软件中，生成补偿谐波参考电流信号和高带宽电流环控制的计算耗时仅10us左右，对60次及以下的负载谐波电流抑制率达到95%以上，此方案的控制器成本仅几十元，并且由于有2颗MCU芯片，同样也具有多IO、多ADC通道、多外设的优势。

旋智的有源滤波器方案也支持MBD设计方式，使用MATLAB软件，可以有效地对系统仿真不同电网状况和负载条件下的系统特性，进行显式的针对性设计和测试验证，并自动生成控制代码。

以下实例模型中，MCU1及MCU2方框内的控制策略生成的代码分别并行运行在2颗双核Cortex M4F处理器上

本设计中APF补偿 380V 3kW变频器进网电流的实验波形如下

 

审核编辑 ：李倩