FPGA控制的新型27电平逆变器研究

# 技术文库 2013-01-18 11:39 来源：中国电力电子产业网

　　摘要：本文介绍了一种新型的基于级联3-H桥的27电平电路拓扑结构，详细分析了该拓扑结构的工作原理，同时提出了一种简单的基于FPGA的控制方法，避免了传统控制方法的复杂性。采用matlab软件对本文的拓扑结构及控制策略进行了仿真研究，并搭建实验平台进行初步实验，仿真和实验结果很好的证明了该新型多电平拓扑结构及调制方法的有效性。整流器新能源

　　关键词：混合级联;多电平;Matlab仿真;FPGA控制　　1 引言

　　大功率应用场合中，往往期望大功率、耐高压的电力电子装置能够工作在尽可能高的开关频率下，以便提高输出波形的质量。但大功率开关器件所允许的开关频率低，难以将PWM技术应用于传统大容量变换器以达到改善其性能的目的。而级联H桥多电平变换器具有功率容量大、开关频率低、输出谐波小、响应速度快、电磁兼容性好等一系列的优点[1-3]，在高压大功率领域越来越受到关注。其一般性思想是综合较小的阶梯电压来产生高压交流波形，从而使得谐波失真较少[4]。传统的级联多电平逆变器直流电源需求量大，实现较多的电平时需要大量的开关管及辅助器件，为了解决弥补这种缺陷，本文介绍了一种新的级联多电平的拓扑结构，通过使用变压器解决了需要大量直流电源的问题，同时变压器的短路阻抗使输出波形更接近正弦波。

　　传统级联多电平逆变器的调制方法主要有移相SPWM，空间矢量SVPWM等[5]，但是对于高于5电平的电路拓扑结构采用这些方法显得很复杂，因此根据新型3-H桥级联27电平拓扑的特点采用了一种简单的基于FPGA的调制方法[6,7]，利用FPGA并行处理的高速特点将27电平的电压波形进行分解，得出每组H桥的开关时序图，通过输入频率信号使12路PWM信号始终与频率信号同步。

　　本文首先介绍了新型级联3-H桥的27电平的电路结构及工作原理，根据拓扑结构的特点得出了调制策略，并给出了基于FGPA的调制程序流程图，最后通过仿真和实验验证了拓扑结构和调制策略的有效性。

　　2 拓扑结构及工作原理

　　级联3-H桥27电平的电路拓扑结构如图1所示。图中三个H桥级联且共用一个直流电源，变压器T1、T2、T3的变比分别为1:1k、1:3k、1:9k，其中k定义为变比系数，为了分析方便取k=1/9。

　　每个H 桥有四个开关管，通过控制开关管的开通和关断输出三种电平状态VDC、0、-VDC，VDC 为直流电源提供的电压幅值。“ 1”代表开通，“ 0”代表关断。三个H 桥的输出分别经过三个不同变比的变压器组合输出27 个电平。式(1)至式(3)显示了每个H 桥经过变压器之后的输出电平及对应的开关管开关状态。

　　3 开关时间计算及FPGA 实现

　　3.1 开关时间计算

　　期望输出的27 电平电压波形如图2 所示。

　　软件设计主要包括12 路PWM 脉冲发生、故障检测两大部分。

　　电网电压信号经过硬件过零检测电路输出与之同频、同相的方波信号，送入FPGA。程序中采用非阻塞赋值语句产生一个与方波信号同频的清零信号，高电平持续时间只有2 。将FPGA 内部50MHZ 晶振100 分频产生频率为500KHZ 的脉冲信号，在清零信号的作用下计数脉冲个数，以电网电压0.02 秒周期时间内一共计数10000个脉冲为基准，根据章节3.1 中的开关管作用时间输出12 路PWM 脉冲信号。故障信号包括变换器过流信号、变换器直流侧过欠压信号。保护电路模块一旦检测到其中任何一种故障信号的发生就封锁PWM 信号，保护电路。等一切正常后，再给一个外部触发信号，正常发波。

　　4 仿真分析及实验结果

　　利用MATLAB 的Simulink 模块库，根据图1 所示级联3-H 桥27 电平电路拓扑结构来构建仿真模型。仿真及实验参数如表1 所示。

　　从图14 可以看到，系统输出侧电压波形畸变率为3.10%，正弦度较好，谐波含量小。

　　4.2 实验结果

　　控制系统采用Altera 公司Cyclone 系列FPGA 芯片EP1C3T144C8，IGBT 采用富士2MBI100U4A120，额定电压1200V，额定电流100A，变压器、、容量依次为1kw、3kw、10kw，直流侧采用整流桥，VDC=207V。实验参数见表1。图15 所示为开关管实际死区波形图，图中pwm_up 表示上管驱动信号，pwm_down 表示下管驱动信号;查阅IGBT 资料可知，其最长关断时间为2.3 ，则图15 所示实际死区时间完全可以满足实验需要，保证IGBT 可靠关断。