基于FPGA的逆变电源设计

孙宏兵 王宝忠

(1. 常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 江苏常州 213164； 2. 江苏科技大学电子信息学院 江苏镇江 212003)

基于FPGA的逆变电源设计

孙宏兵1王宝忠2

(1. 常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 江苏常州 213164； 2. 江苏科技大学电子信息学院 江苏镇江 212003)

逆变电源由逆变主电路、控制电路、驱动电路、滤波电路、采样电路组成。其中，SPWM逆变控制器是正弦波逆变电源的核心，它利用SPWM技术对正弦波逆变电源的频率和幅值进行调节与控制。采用FPGA进行数字化控制系统的设计，与普通MCU和DSP设计相比，处理速度快、集成度高、设计周期短，具有较高的性价比。

逆变电源； FPGA； SPWM； 设计方法； DSP

0 引言

逆变器是一种将直流电转化为交流电的装置。它由逆变桥、逆变控制器和滤波电路组成。正弦波逆变电源没有交流电网中的谐波污染，是一种理想的纯净电源，其使用范围日益广泛。

SPWM逆变电源控制器是正弦波逆变电源的核心中枢，它利用SPWM技术对正弦波逆变电源的频率和幅值进行调节与控制。为了提高逆变器的功率密度，人们通常采用提高SPWM逆变器开关频率的方法，来减小输出变压器和滤波器的体积、重量。但是采用单片机或微处理器实现SPWM，计算量大，占用存储空间多。所以，目前多采用各种专用芯片来生成SPWM。但是，采用专用芯片进行产品开发设计，设计周期长，硬件调试不方便。

FPGA(Field-Programmable Gate Array)现场可编程门阵列，是一种半定制形式的专用集成电路。采用FPGA进行电路设计开发，具有开发设计周期短、设计制造成本低、可实时在线检测等优点，已经成为数字集成芯片开发的主要方法之一。

1 逆变电源系统的设计

在本次设计中，硬件控制部分采用Altera公司CycloneⅡ系列FPGA为硬件承载对象，使用DSP Builder和QuartusⅡ为主要设计软件，同时采用MATLAB中的Simulink软件进行仿真验证。

正弦波逆变电源一般由以下几个部分组成：逆变主电路、控制电路、驱动电路、滤波电路、采样电路等，如图1所示。

图1 正弦波逆变电源的组成结构

整个系统的核心控制部分由基于FPGA的硬件时序电路完成。包括SPWM生成模块、显示及按键控制模块、AD采样控制模块、核心时序控制模块等多个数字化控制单元。加上外围电路和逆变电路，就组成了一个自动可控的闭环回路系统。功能电路由主逆变电路、逆变驱动电路、滤波输出电路、保护电路以及AD采样电路组成。这些电路在FPGA的控制下实现DC-AC的转换功能。而外围电路则由常见的独立按键和数码管显示组成，用以控制整个系统的启动及系统状态的显示。

系统工作时将一直流信号输入给逆变电路，逆变电路在由FPGA所提供的驱动信号作用下将该直流信号变成某一幅值、频率的交流信号，再经滤波后供给负载。采样电路实时把采样到的输出电压经过转换后送给处理器，通过处理器将逆变器所产生的电压值显示在显示器上。在运行过程中一旦保护电路发现输出电路过载或者过流，立即反馈给控制核心时序模块，及时中止逆变电路的运行，防止逆变主电路烧毁。

1.1逆变电源系统控制器的设计

SPWM波生成部分由三角波生成模块、正弦波生成模块、比较器模块，以及死区时间控制模块等组成。图2是SPWM生成模块电路图。其中DDS模块为标准正弦波生成子系统；Trangle模块为三角波生成子系统；Siqu模块为死区控制模块；比较器、非门、乘法器以及加法器组成波形比较输出系统。输出部分为四路开关器件控制信号，其高低电平的切换分别对应了单相全桥逆变器中左上、左下、右上、右下四个开关管的通断。

图2 硬件层SPWM波生成模块

1.2 DDS生成与比较模块的设计

图3为一个标准的相位可调DDS结构框图，其中clk为同步工作时钟。DDS的核心部分是相位累加器，其作用是在基准时钟的作用下，对频率控制字进行线性累加。当相位累加器加满时就会产生一次溢出，这样就完成了一个周期。这个周期也就是DDS信号的一个频率周期。

图3 DDS基本结构框图

1.2.1 DDS模块的设计

软件层DDS结构图与图3的DDS基本结构图大体相似。在ROM模块中存贮了2 048个点所对应的正弦波幅值。设置正弦波的波峰幅值采样值为2 000。而具体每个点的采样值的确定，则是通过软件计算而来，然后交由MATLAB加载。上半部分的查找表值生成代码程序如下：

#include

#include

float get_val(int i)

{

float num;

num=2 000*sin(2*3.1415926/2 048*i);

return num;

}

void main()

{

for(int m=0;m<2 048;m++)

{

if(get_val(m)>=0){cout<

else{cout<<0<<',';}

}

}

由于此次设计中使用了单极性调制方式，所以在设计时将负半轴的正弦波图像绕X轴翻转成与正半周相同幅值的波形。故此下半路的查找表中的值在生成时只需将上述代码中的“if(get_val(m)>=0){cout<

“if(get_val(m)<=0){cout<

图4为正弦波生成模块的内部结构图，其依然使用了标准DDS结构。为了简化电路，采用单路有符号数正弦波查找模块，同时对负半周波形进行取绝对值计算，这样亦能达到SPWM单极性调制的要求。

图4 硬件层正弦波生成模块结构图

1.2.2三角波生成模块的设计

在软件设计中三角波生成模块也采用DDS的模式进行生成。由于三角波没有极性转换问题，所以只需要设计单路查找表模块即可，其基本采样、频率、相位设置与正弦波子系统相同，都是由频率字输入累加器、相位调制器、延时模块、总线扩展模块及查找表模块等模块组成。

其采样点生成计算方式也由C语言编程计算而来，其程序如下：

#include

#include

float tri_num(int i)

{

float num;

if(i>=0 && i<=1 024)num=i*0.976;

if(i>=1 025 && i<=2 048)num=-(i-2 047)*0.976;

return num;

}

void main()

{

for(int m=0; m<2 048; m++)cout<

}

图5为三角波生成模块结构图。由于三角波形简单规矩，所以采用标准累加累减的简化方式来进行设计。

图5 硬件层三角波生成模块结构图

1.3死区控制器的设计

数控化的死区控制器的根本原理等同于一个延时触发器，即在上下两桥臂发生通断控制信号翻转之时，本来应该上升沿与下降沿同时发生，但通过这个延时触发器，使上升沿出现的时间延时至下降沿之后的一段预设时间后。在这段预设时间内，上下桥臂均为低电平，以保证逆变器不会出现短路情况。由于相对于载波周期而言，死区时间很短，而且在实际使用过程中不同的器件的死区时间不尽相同。死区时间过短会导致器件发生危险，而死区时间过长则会严重影响逆变器的输出波形，因此一个高精度可调死区控制器的设计显得尤为重要。

以FPGA作为硬件承载对象，使得高精度可调死区控制器的这一要求变得现实。由硬件电路搭建起的可控延时触发器远比使用单片机编程构建的软件型延时触发器更加高速、有效。图6是具有自反馈闭环定时触发器的死区控制电路图。

图6 自反馈闭环数控死区控制器结构图

1.4 A/D采样电路控制模块的设计

A/D采样电路作为一个对逆变主电路输出数据实时进行监控的功能模块，其作用相当于一个传感器。由其将采集到的数据反馈给FPGA核心控制器，并由显示控制电路用数码管显示出来。而A/D采样电路的核心为一块ADC芯片，在此次设计中采用最常见的ADC0809芯片。

在将逆变器输出电压导入ADC0809前，设计一个电压采样电路，将“强电”模拟量转换为ADC0809所能接收的“弱电”模拟量。

图7 A/D电压采样电路

1.5显示控制模块设计

显示模块采用最为常见的数码管显示方式来进行。由于只涉及逆变主电路输出电压数字量的显示，所以使用数码管是最简单易行的方式。由于使用ADC0809进行采样，其采样精度为1/255，逆变器输出电压一般为310 V左右，所以等比例量化值每个精度点均大于1 V。因此只需要提供整数部分显示即可，即三个数码管即可实现全部显示内容。

2 数字化控制系统的硬件级仿真

使用硬件环(hardware-in-the-loop，HIL)对系统进行仿真。在使用HIL硬件环进行硬件级仿真时需要将图1结构图中的数控逆变控制器替换成HIL进行使用，即将数字部分由电脑软件运行转为FPGA片上运行。

整个硬件环的仿真结果如图8所示。其中第一行为四路逆变桥控制信号的混合波形；第二行为系统最后输出交流波形；第三行为逆变器输出交流电波形。可以看到在系统刚开始运行的几个周期内，由于电容电感的充放电效应，波形起伏较大很不稳定。但在4个周期过后，大约0.1秒后，电路进入稳定状态，其后的输出波形符合正弦波波形，参数也基本符合市电交流220 V 50 Hz的要求。

图8 HIL硬件级仿真结果图

相比Simulink理想化仿真波形，在这张HIL波形图中还体现出硬件电路的传输延时特性，即正弦交流电波形相位滞后于控制信号。且随着仿真时间的延长，这种滞后越发明显，充分反应了控制信号延迟的真实性。

3 结束语

数控逆变电源技术，是一个涉及电力电子、集成电路、嵌入式系统、自动化控制、信号处理等多个学科领域的综合技术。本次的设计研究，只是在理论基础上对基于FPGA的数控化逆变电源进行了一个初步探究，得出了一个切实可行的设计方案。本次设计的重点是数字化控制系统的设计与仿真。

需要说明的是，仿真永远不能代替产品的实际运行。逆变电源根本性任务是驱动负载，而仿真恰恰很难进行严格的负载测试，这是仿真设计的局限性所在。

[1] 刘凤君.现代逆变技术及应用[M].北京：电子工业出版社，2006： 2-4.

[2] 陈国呈.新型电力电子变换技术[M].北京：中国电力出版社，2004： 123-124.

[3] 窦伟，黄念慈，等.单片机控制的正弦波逆变电源[J].电力电子技术，2004(6)：94-96.

[4] 姚锡禄.变频器控制技术与应用[M].福州：福建科学技术出版社，2005： 22-24.

Design of Inverter Based on FPGA

SUN Hong-bing1WANG Bao-zhong2

(1. School of Electronics and Electrical Engineering, Changzhou College of Information Technology, Changzhou 213164, China;2. School of Electronics and Information, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China)

Inverter consists of main circuit of inverter, controlling circuit, driving circuit, filtering circuit and sampling circuit. Among these, SPWM controller of inverter is the key, which uses the SPWM technology to adjust and control the frequency and amplitude of sine wave inverter. Compared with the design of ordinary MCU and DSP, using FPGA for designing digital controlling system has the advantages of faster processing speed, higher level of integration, shorter design cycle, and is highly cost effective.

inverter; FPGA; SPWM; design method; DSP

2014-09-01

孙宏兵(1963-)，男，高级工程师，主要研究方向：电子技术

TM 464

A

1672-2434(2014)06-0016-04