基于DSP+FPGA控制架构的矩阵变换器设计

蔡巍，张晓锋，乔鸣忠，何必，朱鹏，陈雷

(1. 海军潜艇学院，青岛 266042；2. 海军工程大学，武汉 430033；3. 中船重工704研究所, 上海 200001；4. 92196部队，青岛 266000)

0 引言

矩阵变换器(matrix converter，MC)具有功率密度高、功率因数可调，输入输出特性好等诸多优点，在船舶电力推进，风力发电等方面得到广泛的应用[1-5]，但由于其开关器件多，换流策略复杂，因此传统的单MCU结构无法满足控制要求。针对这一问题，本文提出了DSP+FPGA的双处理器架构，充分利用了前者运算快与后者资源多的优点，并基于此设计了一台5 kW直接型矩阵变换器的原理样机。

1 原理样机构成

矩阵变换器5 kW原理样机构成如图1所示。电网通过自耦变压器送入主电路，系统在DSP+FPGA双处理器控制下，不断产生脉冲信号。控制双向开关的导通与关断，从而得到所需要的电压输出，保护电路与检测电路则负责系统的安全运行与实时监测。

1.1 功能电路组成

由图1可以看到，矩阵变换器主要由主电路、保护电路、检测电路与控制电路组成。

主电路由输入滤波器和开关矩阵电路组成，是系统功率流动的主要环节；功能保护电路主要由箝位电路和采样保护电路组成，为系统吸收过电压，快速反应故障情况，维护安全运行提供了保障；检测电路主要是向控制电路提供矩阵变换器运行所需的各种信息，为双向开关导通与关断的时间计算提供依据，并同时对系统进行监测保护，该保护优先级较电路级低，但是控制灵活，易于先期调试，控制系统是整个原理样机的核心，它由DSP和FPGA双处理器组成：DSP计算能力强，特别是TI公司新推出的F28335浮点处理器，其对于浮点的支持使得系统的实时控制能力大幅提高，FPGA选用 Altera公司 Cyclone II系列EP2C8T144C8，该芯片内部资源丰富，逻辑处理能力强，完全可以满足矩阵变换器复杂的调制与换流运算。

1.2 双向开关的选择

双向开关构成的开关矩阵电路是主电路工作的核心部件，目前成熟的双向全控器件尚未出现，而逆阻型IGBT（RB-IGBT）反并联构成的双向开关，价格昂贵且不易购买。因此本装置采用分立IGBT元件构成双向开关。

双向开关构成主要是基于共集电极或共发射极串联的双IGBT，两种方式各有优劣，很多文献对此进行了介绍[6]。考虑到本装置功率较大，主电路三相输出采用三个模块分布散热，如果选择共集电极方式，门极驱动电路将跨越三个模块，造成连线复杂，因此选用共发射极双向开关，整个开关矩阵由18个IGBT单管组成，由9路门极驱动电路隔离电源驱动。

1.3 驱动电路与辅助电源

IGBT是一种电压型驱动功率管，需要的驱动功率小，因此本样机设计仅需采用光耦HCPL3120对其进行隔离输出即可构成门极驱动电路，见图 3(a)。其中为避免密勒效应造成的误导通，采用齐纳二极管由单路电源得到正负电源。

为简化设计，提高功率密度，本方案利用TOPswitch芯片设计了9路独立的单端反激开关电源，大大减小了驱动电源的体积，如图3(b)所示；为提高系统可靠性，控制系统采用开关电源独立供电。

2 控制系统设计

控制系统是矩阵变换器的核心部分，负责电压电流信号的采集、开关管导通时间的计算、脉冲信号的产生、换流逻辑的控制与系统的监测保护等等。

2.1 DSP程序流程

本文设计的控制器中，DSP主要完成占空比时间的计算。根据接收到的上位机指令，结合输入输出区间信息，可计算各开关管导通时间，并将其送入FPGA产生脉冲信号。

2.2 FPGA程序流程

矩阵变换器中，涉及到采样、换流、调制信号生成等部分，如果采用DSP的流水线型程序结构，将大大耗费系统时间；而采用FPGA，各个模块并联执行，可以有效的减小运行时间，提高系统效率。

2.2.1 采样系统

控制系统的采样精度对于系统有着至关重要的影响。该样机中，我们主要针对输入线电压、输入相电流、输出相电流和箝位直流电压进行检测与监控，在满足系统运行性能的同时，保证系统的安全性。为了减小控制板走线的复杂度，提高信号完整性，本文选择基于SPI总线结构的串行。

3 样机实验

图6为本文搭建的5 kW矩阵变换器原理样机实验平台。

采样芯片ADS8361，利用FPGA对其进行控制。图4(a)为采用modelsim对本系统的时序仿真图，图4(b)为控制板采样实测波形。从图中看出，设计的电路足以满足系统需求。

2.2.2 脉冲信号生成

FPGA接收DSP发出的占空比时间信号，并送入其内部产生的三角载波进行比较；样机中采用电压型两步换流策略，根据输入电压区间位置，生成相应的脉冲信号。图5为实测的SCb、SCc顺管逆管四路驱动信号。

在此平台上，我们采用矩阵变换器载波调制算法对样机进行了满功率实验，如图7所示。输入线电压为380 V/50 Hz，调制比0.5，负载电感13 mH，负载电阻9Ω。由实验结果来看，系统运行稳定，无故障情况，证明了样机设计的可靠性。

4 结论

本文主要针对一台5 kW的矩阵变换器原理样机进行了介绍，包括其功能电路组成、双向开关选择、IGBT驱动与辅助电源设计等。该系统采用DSP+FPGA的双控制器结构，其中DSP主要负责占空比时间的计算，而FPGA则发挥其资源多，逻辑运算快的优势，内部集成了采样电路、脉冲发生电路与保护电路。在该样机上完成了满功率实验，实验结果表明了系统的可靠性。

:

[1]DeLillo L, Empringham L, Schulz M, et al. A high power density SiC-JFET-based matrix converter [C].14th European Conference on Power Electronics and Applications, Birmingham, United kingdom, 2011.

[2]Yamamoto E, Hara H, Uchino T, et al. Development of MCs and its applications in industry [J]. IEEE Industrial Electronics Magazine, 2011, 5(1): 4-12.

[3]Barakati S, Kazerani M, Aplevich J. Maximum power tracking control for a wind turbine system including a matrix converter [J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2009, 24(3): 705-713.

[4]Bucknall R, Ciaramella K. On the conceptual design and performance of a matrix converter for marine electric propulsion[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2010, 25(6): 1497-1508.

[5]涂方明, 厉孟. 矩阵变换器的研究现状和发展方向[J]. 船电技术, 2009, 29(8): 32-35.

[6]Wheeler P W, Clare J. Matrix converters[J].Power Engineering Journal, 2002, 12(4): 273-282.