FPGAs in der Leistungselektronik

Durch die Realisierung vieler Projekte, bei denen FPGAs zur Steuerung leistungselektronischer Bauelemente eingesetzt wurden, verfügen wir über einen umfangreichen Erfahrungsschatz in diesem Bereich. Durch die hohe Rechenleistung von FPGAs lassen sich die Schaltzeiten moderner Leistungstransistoren ausnutzen. Während Prozessoren nur auf Befehls- oder Interruptebene (Interrupt-Latenz) zählen und schalten können, ist dies bei FPGAs auf Taktebene möglich. Damit reduziert sich der Jitter. Aufgrund der parallelen Verarbeitung im FPGA kann die Signalverarbeitung, die Ablaufsteuerung (FSMs), die Überwachung bzw. die Ansteuerung von Signalen gleichzeitig erfolgen. Damit stellen FPGAs eine ausgezeichnete Plattform für die Implementierung von Algorithmen z.B. für Schaltverstärker, Schaltregler oder Piezo-Controller dar.

Controller für Piezo-Aktoren

Piezo-Aktoren haben ein stark nichtlineares Verhaltens, daher lassen sich die üblichen linearen Regler und Systeme meist nicht anwenden. Die für die Ansteuerung von Piezos häufig eingesetzten DSPs unterstützen jedoch nur lineare Algorithmen wie FIR-Filter sehr gut, da sie die hier erforderlichen Multiply-Accumulate Operationen direkt auf Hardware abbilden. Die freien Konfigurationsmöglichkeiten von FPGAs ermöglichen eine bessere Abbildung nichtlinearer Algorithmen auf die Hardware. Selbst Low-Cost FPGAs offerieren mit ihren mehr als zehn Multiplizierern eine deutlich größere Rechenleistung als DSPs. FPGAs erlauben aufwendigere Algorithmen und neue Ansteuerkonzepte mit bessere Regelergebnissen und Wirkungsgraden.

Controller für Schaltregler

Die Anforderungen an Schaltregler nehmen ständig zu: niedrigere Ausgangsspannungen bei höheren Strömen und niedrigerer Ausgangswelligkeit, höhere Integrationsdichte. Durch digitale Controller können umfangreichere Anforderungen einfacher realisiert werden. Durch die wriklich parallel arbeitenden Funktionseinheiten in FPGAs ist eine größere Rechenleistung als bei Microcontrollern vorhanden. Überwachungsfunktionen können in den FPGA integriert werden und ebenfalls dessen hohe Reaktionsgeschwindigkeiten ausnutzen. Dadurch erhöht sich die Integrationsdichte der Schaltregler und das Leiterplattendesign vereinfacht sich.