基于FPGA的AC-AC諧振變換器實(shí)現(xiàn)*

唐春森，周繼昆，戴欣，王智慧，孫躍

（重慶大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，重慶400044）

非接觸電能傳輸技術(shù)或者感應(yīng)電能傳輸技術(shù)，通過(guò)采用電磁耦合的方式可實(shí)現(xiàn)電能跨越空氣氣隙的無(wú)接觸傳遞[1]。在軌道交通[2]、機(jī)器人、單軌行車(chē)、消費(fèi)電子產(chǎn)品、人體內(nèi)置醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，已經(jīng)成為電力電子領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[3-4]。

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(chǎng)的產(chǎn)生，目前普遍采用的方法是利用軟開(kāi)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)渲饕獮锳C-DC-AC或是DC-AC拓?fù)鋄5]。對(duì)工頻交流輸入的場(chǎng)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(diǎn)。為此，人們提出了一種新型的AC-AC變換拓?fù)鋪?lái)實(shí)現(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(shí)，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(shí)，向諧振回路注入能量。具有電路拓?fù)浜?jiǎn)單、可靠性高、轉(zhuǎn)換效率高、低EMI等優(yōu)點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)新型AC-AC變換拓?fù)渌虚_(kāi)關(guān)器件的軟開(kāi)關(guān)控制及輸出電流的幅值控制，本文基于FPGA控制平臺(tái)設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)幅值控制器，分析了系統(tǒng)的控制要求，設(shè)計(jì)了控制器硬件及軟件，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 AC-AC電路工作原理分析

圖1 AC-AC諧振變換器電路拓?fù)?/p>

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(gè)電路由4個(gè)MOSFET開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)則用于控制諧振網(wǎng)絡(luò)內(nèi)能量的雙向流動(dòng)。

根據(jù)輸入交流電VAC的不同極性，電路有著互相對(duì)稱(chēng)的兩個(gè)半周期運(yùn)行模式，即正半周和負(fù)半周模式。在每個(gè)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(shí)系統(tǒng)的工作模式，負(fù)半周時(shí)可以對(duì)稱(chēng)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(kāi)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(shí)，D3、S4導(dǎo)通；諧振電流反向時(shí)，S3、D4導(dǎo)通，諧振回路在無(wú)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(shí)，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(jì)及電流峰值控制策略

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輸出諧振電流幅值近似恒定，同時(shí)保證系統(tǒng)運(yùn)行在零電流（ZCS）軟開(kāi)關(guān)模式，基于FPGA芯片設(shè)計(jì)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(cè)諧振電流的過(guò)零信號(hào)，用以實(shí)現(xiàn)ZCS軟開(kāi)關(guān)工作模式；外環(huán)采用誤差比較器將反饋信號(hào)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(hào)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。

圖2 AC-AC諧振變換器系統(tǒng)框圖

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(jì)系統(tǒng)的峰值控制策略如表1所示。

表1 開(kāi)關(guān)控制邏輯

3 FPGA控制電路板設(shè)計(jì)

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(jì)系統(tǒng)控制板?？刂破饔腥份斎耄?0 Hz交流電源過(guò)零信號(hào)、諧振電流過(guò)零信號(hào)及參考電流與檢測(cè)反饋電流值比較的誤差信號(hào)?？刂破鞲鶕?jù)這三路輸入信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算后，在諧振電流過(guò)零點(diǎn)輸出控制信號(hào)，控制4個(gè)MOSFET的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)諧振電流峰值的幅值控制。

考慮到誤差比較信號(hào)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(cè)信號(hào)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(cè)信號(hào)。結(jié)合另外兩路過(guò)零比較信號(hào)，系統(tǒng)的過(guò)零檢測(cè)及誤差比較電路如圖3所示。

圖3 過(guò)零檢測(cè)及誤差比較電路

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(dòng)電路模塊中采用了高速光耦隔離器件6N137，同時(shí)配合三極管組成的推挽電路提高驅(qū)動(dòng)能力。

過(guò)零檢測(cè)與誤差比較電路的輸出信號(hào)以及隔離驅(qū)動(dòng)電路的輸入信號(hào)分別與FPGA控制器的I/O引腳相接，F(xiàn)PGA根據(jù)表1的開(kāi)關(guān)控制邏輯實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的工作模式，實(shí)現(xiàn)輸出電流的近似恒幅值控制。

4 算法流程設(shè)計(jì)

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

(1)檢測(cè)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(cè)本半個(gè)周期的諧振電流的方向；

(3)檢測(cè)50 Hz低頻信號(hào)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(cè)本半個(gè)周期的諧振電流的方向；

(7)檢測(cè)50 Hz低頻信號(hào)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(shí)驗(yàn)測(cè)試

根據(jù)算法流程設(shè)計(jì)，搭建了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)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(shí)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。

圖4 系統(tǒng)輸入輸出實(shí)驗(yàn)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(shí)，可以有效地保持初級(jí)回路諧振電流峰值在設(shè)定值附近波動(dòng)。在輸入交流過(guò)零點(diǎn)附近，由于輸入電壓過(guò)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(huì)出現(xiàn)明顯的凹陷。另外由于該變換器工作于軟開(kāi)關(guān)諧振狀態(tài)，因此控制動(dòng)作只發(fā)生在諧振電流過(guò)零時(shí)刻，能量注入具有典型的離散性。這使得空載或者輕載時(shí)，注入能量的頻率過(guò)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。

圖5 輸出諧振電流局部放大波形

本文研究了一種能實(shí)現(xiàn)從低頻到高頻直接變換的AC-AC諧振變換器的恒幅控制策略及其FPGA實(shí)現(xiàn)。借助FPGA芯片強(qiáng)大的邏輯運(yùn)算能力、高速以及靈活配置特性，有效地實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)在工頻交流輸入到20 kHz恒幅交流輸出的直接變換。系統(tǒng)具有電路簡(jiǎn)單、開(kāi)關(guān)損耗低、變換效率高、動(dòng)態(tài)性能好等優(yōu)點(diǎn)。但是由于輸入電壓過(guò)零點(diǎn)附近注入能量嚴(yán)重不足，導(dǎo)致輸出電流幅值有明顯的凹陷，但并不影響這種變換器在非接觸電能傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用。

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