基于FPGA的AC-AC諧振變換器實現(xiàn) - 全文

???????非接觸電能傳輸系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)就是高頻交變磁場的產(chǎn)生，目前普遍采用的方法是利用軟開關(guān)諧振變換器將輸入低頻交流電(或者直流電)轉(zhuǎn)換為高頻交流電，所使用的電路拓?fù)渲饕獮?a target="_blank">AC-DC-AC或是DC-AC拓?fù)鋄5]。對工頻交流輸入的場合，傳統(tǒng)AC-DC-AC拓?fù)浯嬖陔娐窂?fù)雜、效率低、成本高等缺點。為此，人們提出了一種新型的AC-AC變換拓?fù)鋪韺崿F(xiàn)從低頻交流到高頻交流的直接變換[6]。這種新型的變換拓?fù)浠谝环N能量注入控制方法，當(dāng)輸出電流幅值高于設(shè)定值時，可使諧振回路的能量自由振蕩或者回饋到電網(wǎng);當(dāng)輸出電流幅值低于設(shè)定值時，向諧振回路注入能量。具有電路拓?fù)浜唵巍⒖煽啃愿摺⑥D(zhuǎn)換效率高、低EMI等優(yōu)點，在非接觸電能傳輸系統(tǒng)及感應(yīng)加熱電源系統(tǒng)中有著很好的應(yīng)用前景。

　　為了實現(xiàn)新型AC-AC變換拓?fù)渌虚_關(guān)器件的軟開關(guān)控制及輸出電流的幅值控制，本文基于FPGA控制平臺設(shè)計了系統(tǒng)的實時幅值控制器，分析了系統(tǒng)的控制要求，設(shè)計了控制器硬件及軟件，并進(jìn)行了實驗驗證。

　　1 AC-AC電路工作原理分析

　　能量注入式AC-AC諧振變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。整個電路由4個MOSFET開關(guān)管S1、S2、S3、S4，反并聯(lián)二極管D1、D2、D3、D4及RLC的串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)組成。S1、S2及反并聯(lián)二極管組成的雙向開關(guān)用于諧振網(wǎng)絡(luò)的能量注入及能量回饋;而S3、S4及反并聯(lián)二極管組成的雙向開關(guān)則用于控制諧振網(wǎng)絡(luò)內(nèi)能量的雙向流動。

AC-AC諧振變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　根據(jù)輸入交流電VAC的不同極性，電路有著互相對稱的兩個半周期運行模式，即正半周和負(fù)半周模式。在每個半周期內(nèi)，根據(jù)諧振電流的不同，電路均存在三種工作模態(tài)：能量注入、自由諧振及能量回饋。本文只討論輸入電壓正半周時系統(tǒng)的工作模式，負(fù)半周時可以對稱的形式得到。(1)能量注入模態(tài)：該模態(tài)中S1、D2導(dǎo)通，其余開關(guān)管及二極管關(guān)斷，能量正向注入諧振回路，諧振電流幅值增大。(2)自由諧振模態(tài)：諧振電流正向時，D3、S4導(dǎo)通;諧振電流反向時，S3、D4導(dǎo)通，諧振回路在無能量注入的情況下自由振蕩，諧振電流幅值逐漸減小。(3)能量回饋模態(tài)：諧振電流反向時，S2、D1導(dǎo)通，諧振回路向電源回饋能量，諧振電流幅值快速減小。

　　2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計及電流峰值控制策略

　　為了實現(xiàn)系統(tǒng)輸出諧振電流幅值近似恒定，同時保證系統(tǒng)運行在零電流(ZCS)軟開關(guān)模式，基于FPGA芯片設(shè)計系統(tǒng)的反饋控制結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。系統(tǒng)為雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，內(nèi)環(huán)檢測諧振電流的過零信號，用以實現(xiàn)ZCS軟開關(guān)工作模式;外環(huán)采用誤差比較器將反饋信號與參考電流值進(jìn)行比較，以確定輸出電流幅值是否在誤差范圍內(nèi)，從而根據(jù)50 Hz交流信號的極性及誤差比較信息判斷系統(tǒng)的工作模態(tài)，以穩(wěn)定輸出諧振電流幅值。

　　根據(jù)上述控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，結(jié)合系統(tǒng)的工作模式，設(shè)計系統(tǒng)的峰值控制策略如表1所示。

　　3 FPGA控制電路板設(shè)計

　　基于Altera公司的EP2C5T144C8型FPGA芯片，根據(jù)圖2所示的系統(tǒng)框圖設(shè)計系統(tǒng)控制板。控制器有三路輸入，即50 Hz交流電源過零信號、諧振電流過零信號及參考電流與檢測反饋電流值比較的誤差信號。控制器根據(jù)這三路輸入信號進(jìn)行相應(yīng)的運算后，在諧振電流過零點輸出控制信號，控制4個MOSFET的工作狀態(tài)，實現(xiàn)對諧振電流峰值的幅值控制。

　　考慮到誤差比較信號需要能夠比較出電流正向和反向兩種情況，采用高速比較器LM319將輸入電流檢測信號與正向參考和負(fù)向參考分別比較，產(chǎn)生正向峰值和負(fù)向峰值檢測信號。結(jié)合另外兩路過零比較信號，系統(tǒng)的過零檢測及誤差比較電路如圖3所示。

　　為了盡量減小控制延遲并提高系統(tǒng)的抗干擾能力，在隔離驅(qū)動電路模塊中采用了高速光耦隔離器件6N137，同時配合三極管組成的推挽電路提高驅(qū)動能力。

　　過零檢測與誤差比較電路的輸出信號以及隔離驅(qū)動電路的輸入信號分別與FPGA控制器的I/O引腳相接，F(xiàn)PGA根據(jù)表1的開關(guān)控制邏輯實時控制系統(tǒng)的工作模式，實現(xiàn)輸出電流的近似恒幅值控制。

　　4 算法流程設(shè)計

　　根據(jù)電流峰值控制策略，系統(tǒng)的控制算法流程設(shè)計如下：

　　(1)檢測上半周期諧振電流峰值是否大于參考值，如果大于參考值，轉(zhuǎn)流程(6);

　　(2)檢測本半個周期的諧振電流的方向;

　　(3)檢測50 Hz低頻信號方向是否與諧振電流方向一致，如不一致，轉(zhuǎn)流程(5);

　　(4)系統(tǒng)切換到能量注入工作模態(tài)，轉(zhuǎn)流程(1);

　　(5)系統(tǒng)切換到自由振蕩工作模態(tài)，轉(zhuǎn)流程(1);

　　(6)檢測本半個周期的諧振電流的方向;

　　(7)檢測50 Hz低頻信號方向是否與諧振電流方向一致，如不一致，轉(zhuǎn)流程(9);

　　(8)系統(tǒng)切換到自由振蕩工作模態(tài)，轉(zhuǎn)流程(1);

　　(9)系統(tǒng)切換到能量回饋工作模態(tài)，轉(zhuǎn)流程(1)。

　　5 實驗測試

　　根據(jù)算法流程設(shè)計，搭建了系統(tǒng)實驗電路進(jìn)行測試。實驗中，參考電流設(shè)置為5 A，系統(tǒng)輸入電壓為80 V/50 Hz，在空載和10 W負(fù)載時輸入電壓波形及諧振電流波形分別如圖4(a)、圖4(b)所示。圖中上方通道為50 Hz交流電壓波形，下方通道為諧振電流波形。

　　由圖4可以看出，基于FPGA的諧振電流在拾取端負(fù)載變化時，可以有效地保持初級回路諧振電流峰值在設(shè)定值附近波動。在輸入交流過零點附近，由于輸入電壓過低，注入系統(tǒng)的能量不足以維持諧振電流的幅值恒定，因此會出現(xiàn)明顯的凹陷。另外由于該變換器工作于軟開關(guān)諧振狀態(tài)，因此控制動作只發(fā)生在諧振電流過零時刻，能量注入具有典型的離散性。這使得空載或者輕載時，注入能量的頻率過低，導(dǎo)致輸出諧振電流幅值存在較大的紋波，如圖5(a)的空載諧振電流局部放大波形所示。但隨負(fù)載功率增大，注入能量的頻率提高，諧振電流的幅值也就越趨平穩(wěn)，如圖5(b)的10 W負(fù)載諧振電流局部放大波形所示。