Field Programmable Gate Arrays Usage in Industrial Automation Systems

Abstract

Tato disertační práce se zabývá využitím programovatelných hradlových polí (FPGA) v diagnostice měničů, využívajících spínaných IGBT tranzistorů. Je zaměřena na budiče těchto výkonových tranzistorů a jejich struktury. Přechodné jevy veličin, jako jsou IG, VGE, VCE během procesu přepínání (zapnutí, vypnutí), mohou poukazovat na degradaci IGBT. Pro měření a monitorování těchto veličin byla navržena nová architektura budiče IGBT. Rychlé měření a monitorování během přepínacího děje vyžaduje vysokou vzorkovací frekvenci. Proto jsou navrhovány paralelní vysokorychlostní AD převodníky (> 50 MSPS). Práce je zaměřena převážně na návrh zařízení s FPGA včetně hardware a software. Byla navržena nová deska plošných spojů s FPGA, která plní požadované funkce, jako je řízení IGBT pomocí vícenásobných paralelních koncových stupňů, monitorování a diagnostiku, a propojení s řídicí jednotkou měniče.This doctoral thesis deals with the usage of Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) in a diagnosis of power inverters which use the IGBTs transistors as switching devices. It is focused on the IGBT gate drives and their structures. As long as the transient phenomena and other quantities such as IG, VGE, VCE shows the IGBT degradation during the switching process (turn-on, turn-off), a new IGBT gate driver architecture is proposed for measuring and monitoring these quantities. Quick measurements and monitoring during the IGBT switching process require high sampling frequencies. Therefore, high speed parallel ADC converters (> 50MSPS) are proposed. The thesis is focused on the FPGA design (hardware, software). A new FPGA board is designed for desired functions implementation such as IGBT driving using multiple stages, IGBT monitoring and diagnosis, and interfacing to inverter controller.