復雜可編程邏輯器件（CPLD）在航空115V/400Hz高頻鏈逆變電源中的應用

0 引言

　　航空配電系統所用115V/400Hz電源一般是由直流逆變所得，主要供軍用飛機、雷達等設備使用。逆變電源中的能量轉換過(guò)程是,直流電通過(guò)逆變電路變換成高頻脈沖電壓，經(jīng)濾波電路形成正弦波。近來(lái)，高頻鏈逆變技術(shù)引起了人們越來(lái)越濃的研究興趣。高頻鏈逆變技術(shù)用高頻變壓器來(lái)代替傳統逆變器中笨重的工頻變壓器，大大減小了逆變器的體積和重量。高頻鏈逆變技術(shù)是由Mr.Espelage于1977年提出的，它與常規的逆變技術(shù)最大的不同在于利用高頻變壓器實(shí)現了輸入與輸出的電氣隔離，減小了變壓器的體積和重量。

　　傳統的高頻鏈逆變器由常規數字電路構成，存在設計復雜、抗干擾能力差等缺點(diǎn)。為了解決該問(wèn)題，本文采用復雜可編程邏輯器件（CPLD）來(lái)實(shí)現控制電路的設計。CPLD是在PAL、GAL的基礎上發(fā)展起來(lái)的陣列型PLD，具有高密度、高速度的優(yōu)點(diǎn)。本系統采用的是Altera公司MAX7000S系列的EPM7128SLC84－6可編程器件，該器件采用第二代多陣列矩陣結構，工作電壓為5V，支持系統編程，工作頻率可達151.5MHz，具有128個(gè)宏單元，每個(gè)宏單元中的可編程擴展乘積項可達32個(gè)，具有可編程加密位，可對芯片內的設計加密。

1 高頻鏈逆變電源主電路結構

　　傳統帶隔離變壓器的逆變電源由高頻逆變器、整流器、PWM逆變器和輸出濾波器組成，需要3級功率變換，存在通態(tài)損耗高，且只能單相功率傳輸等缺點(diǎn)。

　　圖1所示為雙向電壓源高頻鏈逆變器的原理圖，該方案是目前實(shí)現雙向傳輸功率的常用方案。前級電路由全橋移相控制電路和高頻變壓器組成，后級電路采用周波變換的交交變頻器。高頻鏈逆變器采用直流—高頻交流—低頻交流的電路拓撲，全橋移相控制電路通過(guò)軟開(kāi)關(guān)ZVS方式將直流電壓斬波成不含低頻成分的高頻脈沖，通過(guò)高頻變壓器送入周波變換器，后者通過(guò)PDM方式將高頻交流脈沖恢復為正弦脈寬調制波（SPWM），經(jīng)過(guò)低通濾波器輸出光滑的正弦波信號。因為該逆變器只有二級功率變換環(huán)節，并且可以做到兩級的軟開(kāi)關(guān)控制，開(kāi)關(guān)頻率很高（100kHz），所以效率較高，體積較正弦脈寬脈位調制（SPWPM）方式的逆變器要小。

圖1 主電路結構圖

2 控制電路及控制策略

　　前級的移相變換器采用目前應用最廣泛的軟開(kāi)關(guān)電路——移相全橋型零電壓電路（ZVS），其原理是利用變壓器漏感L_lk和功率管輸出電容C_i諧振，漏感儲能在向C_i釋放過(guò)程中，使C_i電壓逐步下降到零，體二極管D_i開(kāi)通，創(chuàng )造了開(kāi)關(guān)管的ZVS條件。為了改變占空比D，實(shí)現調壓控制，采用了移相技術(shù)。每個(gè)橋臂的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管成互補導通，兩個(gè)橋臂的導通角相差一個(gè)相位，即移相角，通過(guò)調節移相角的大小來(lái)調節輸出電壓。S₁和S₂分別超前于S₃和S₄一個(gè)相位，稱(chēng)S₁和S₂組成的橋臂為超前橋臂，S₃和S₄組成的橋臂則為滯后橋臂。通過(guò)改變開(kāi)關(guān)管控制策略，使其中一個(gè)開(kāi)關(guān)管先關(guān)斷，一次繞組與諧振電容配合，并產(chǎn)生可控的dv/dt。漏電感和功率MOSFET的輸出電容構成了諧振網(wǎng)絡(luò )，同時(shí)實(shí)現了ZVS控制。系統的脈沖工作時(shí)序如圖2所示，經(jīng)過(guò)全橋移相變換器的高頻逆變，輸出100kHz相鄰脈沖互為反極性的SPWPM（正弦脈寬脈位調制）波，該波形含有SPWM波的全部信息，但不含400Hz調制波的基波成分，因而可以利用高頻變壓器進(jìn)行耦合傳輸。后級的交交周波變換器采用脈沖密度調制方式，將高頻交流SPWPM波調制常規的SPWM波，其原理是輸出的電壓波形是由輸入的高頻離散半周期脈沖數目或密度“拼湊”合成。將得到的400HzSPWM波通過(guò)LC濾波，則輸出光滑的115V/400Hz的正弦波。

圖2 主電路原理時(shí)序圖

3 CPLD脈沖觸發(fā)系統工作原理

　　整個(gè)系統采用閉環(huán)控制，控制算法上采用重復控制技術(shù)。通過(guò)DSP實(shí)現控制算法的調節，CPLD實(shí)現驅動(dòng)信號的時(shí)序和邏輯控制。

　　系統整體電路框圖如圖3所示，控制電路包括DSP和CPLD兩部分，輸出電壓反饋給控制電路，控制電路根據給定輸入，相應調整前端逆變電路和后端周波變換電路的觸發(fā)脈沖。逆變的移相控制電路的實(shí)現方法相對簡(jiǎn)單，圖4是移相控制電路的實(shí)現方