交流斬波調壓器中PWM控制的FPGA實(shí)現

隨著(zhù)電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電子系統的設計理念和設計方法發(fā)生了深刻的變化，EDA技術(shù)成為現在電子設計技術(shù)的有力工具。它將以前“電路設計+硬件焊接+調試”轉化為“功能設計+軟件模擬+仿真”的模式。利用EDA開(kāi)發(fā)平臺，采用可編程邏輯器件CPLD/FPGA使得硬件功能可通過(guò)軟件編程的方式來(lái)實(shí)現。這種設計方法使設計者大大減輕了電路設計的工作量和難度，增強了設計的靈活性，有效地提高了工作效率。

本文就是利用EDA開(kāi)發(fā)平臺，實(shí)現基于IGBT器件的交流斬波調壓器中PWM波的控制。這種基于IGBT器件和PWM控制的交流調壓器，相比于傳統的變壓器調壓和可控硅調壓，不僅負載適用面廣，同時(shí)在很大程度上降低了對電網(wǎng)的污染，大大改善了交流電壓調節器的性能，迎合了目前國家提倡的多元化照明和節能減排的要求。

1 交流斬波調壓器的控制原理

交流斬波調壓電路就是以比輸入電源高得多的頻率，周期性使電路中的受控開(kāi)關(guān)器件導通和關(guān)斷，以此來(lái)改變開(kāi)關(guān)導通的占空比，從而達到調節輸出電壓大小的目的。目前比較典型的交流斬波調壓電路主要有單管反串聯(lián)交流斬波式調壓電路、雙開(kāi)關(guān)交流斬波式調壓電路和單管雙向開(kāi)關(guān)交流斬波式調壓電路等。其中單管反串聯(lián)交流斬波式調壓電路的IGBT采取單管反串聯(lián)連接方式，使其雙向受控器件具有“共地”端，簡(jiǎn)化了受控器件的驅動(dòng)電路，使PWM波便于控制。

單管反串聯(lián)交流斬波式調壓電路如圖1所示。圖中VG1a、VG1b、VD1a和VD1b構成雙向斬波開(kāi)關(guān)S1，VG2a、VG2b、VD2a和VD2b構成雙向續流開(kāi)關(guān)S2。由于交流斬波調壓對象是交流電壓，電路對正負半波電壓要求均能進(jìn)行調制，故S1和S2開(kāi)關(guān)器件均為雙向開(kāi)關(guān)。其中VG1a、VG1b、VG2a和VG2b由IGBT可控開(kāi)關(guān)器件構成。其主要控制過(guò)程為：S1導通，S2關(guān)斷，電源通過(guò)S1開(kāi)關(guān)向負載提供能量;S1關(guān)斷，S2導通，負載通過(guò)S2開(kāi)關(guān)構成續流回路。

電路中的S1，S2在運行過(guò)程中必須嚴格遵守以下兩點(diǎn)：任意時(shí)刻S1與S2不能同時(shí)導通，否則造成電源短路，開(kāi)關(guān)器件過(guò)流損壞;任意時(shí)刻S1與S2不能同時(shí)關(guān)斷，否則濾波電感電流沒(méi)有續流回路，產(chǎn)生很高的電壓，造成開(kāi)關(guān)管過(guò)壓損壞。

斬波開(kāi)關(guān)S1和續流開(kāi)關(guān)S2的控制方式，即VG1a～VG2b可控開(kāi)關(guān)的PWM控制方式主要有以下三種：互補控制方式、傳統非互補控制方式、帶電流檢測的非互補控制方式三種。經(jīng)研究發(fā)現：互補調制模式一般應用于電阻性負載場(chǎng)合，電感性負載勉強可以使用，而電容性負載電壓畸變嚴重，不是很實(shí)用;非互補調制模式適用于電阻電感性負載，電容性負載存在一定的失控區;帶有電流檢測的非互補調制模式則可以很好的適用于電阻、電感、電容等各種類(lèi)型的負載，同時(shí)避免了斬波開(kāi)關(guān)和續流開(kāi)關(guān)換相過(guò)程中引起的過(guò)電壓。

因此，本設計選用帶電流檢測的非互補調制模式控制單管反串聯(lián)交流斬波式調壓電路。表1為帶電流檢測的非互補信號的控制邏輯。

圖1 單管反串聯(lián)交流斬波式調壓電路

表1 帶電流檢測的非互補信號控制邏輯

表1中區間的劃分依據為電壓與電流的極性關(guān)系，根據極性關(guān)系可劃分四個(gè)區，每個(gè)區各個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)對應不同的控制邏輯。其中“1”表示IGBT門(mén)極施加驅動(dòng)信號;“0”表示IGBT門(mén)極信號封鎖;Ug表示斬波開(kāi)關(guān)與續流開(kāi)關(guān)的PWM驅動(dòng)信號。

2 PWM控制方式的FPGA實(shí)現

2.1 控制電路圖

根據帶電流檢測的非互補信號的控制邏輯，在EDA開(kāi)發(fā)工具Quartusll軟件中輸入設計文件，繪制頂層圖，如圖2所示。

圖2 PWM控制電路圖

電路圖中主要包括四個(gè)模塊：分頻電路模塊、A/D采樣電路控制模塊、電壓電流相位判斷模塊以及PWM產(chǎn)生模塊。

①分頻器模塊。根據負載特性和開(kāi)關(guān)管工作效率兩個(gè)方面的因素，PWM的開(kāi)關(guān)頻率可選為20kHz，A/D轉換芯片ADC0809的典型工作頻率為640kHz，故圖中分頻器模塊主要用于產(chǎn)生20kHz和640kHz時(shí)鐘信號。

②A(yíng)/D采樣電路控制模塊。A/D轉換選用的芯片為ADC0809，該芯片是8位A/D轉換器，可控制8路模擬信號的轉換，完成一次的轉換時(shí)間約為100us。轉換前根據通道選擇地址，選擇某一輸入端的模擬信號，然后啟動(dòng)轉換，等待轉換結束信號，輸出相應的數字量。該部分控制邏輯可采用狀態(tài)機的方式實(shí)現，由初始化狀態(tài)、啟動(dòng)采樣狀態(tài)、轉換等待狀態(tài)、轉換結束狀態(tài)以及數據讀取狀態(tài)組成。

③電壓電流相位判斷模塊。該模塊主要針對輸入的電壓數字量和電流數字量進(jìn)行相位判斷，若電壓為正，電流為負，設為Ⅰ區(3'b001);電壓為正，電流為正，設為Ⅱ區(3'b010);電壓為負，電流為正，設為Ⅲ區(3'b011);電壓為負，電流為負，設為Ⅳ區(3'b100)。

④PWM產(chǎn)生模塊。將電壓電流相位判斷模塊輸出的分區信號送入到PWM產(chǎn)生模塊中，按電流檢測非互補控制方式生成IGBT開(kāi)關(guān)管的驅動(dòng)控制信號。

2.2 模塊仿真

對PWM控制電路中的各模塊電路與總電路進(jìn)行仿真，其中PWM產(chǎn)生模塊的仿真波形如圖3所示。

圖3 PWM產(chǎn)生模塊的仿真波形

由仿真波形可以看到：當分區信號為3'b001(Ⅰ區)時(shí)，Vg1a=0，Vg1b=l，Vg2a=反相PWM波，Vg2b=1;分區信號為3'b010(Ⅱ區)時(shí)，Vg1a=PWM波，Vg1b=1，Vg2a=0，Vg2b=1;Ⅲ區和Ⅳ同理可得。通過(guò)數據比較可以發(fā)現，四路驅動(dòng)信號與表1中的控制信號一致，符合設計要求。

3 結語(yǔ)

本文利用FPGA實(shí)現對交流斬波調壓電路中PWM的控制，與傳統的PWM專(zhuān)用控制芯片實(shí)現方式相比，結構簡(jiǎn)單，可靠性高，而且FPGA它所具有的靜態(tài)可重復編程和動(dòng)態(tài)在系統重構的特性，使得設計更加靈活，同時(shí)也降低了開(kāi)發(fā)成本。