基于FPGA的逆變器橋臂實時仿真模型

馬海心

摘要：為了建立逆變器橋臂級實時仿真模型，以典型的IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）與電力二極管組合作為橋臂基本結(jié)構(gòu)，分析了橋臂的工作狀態(tài)，重點是對暫態(tài)過程分析。在FPGA（Field Programmable Gate Array）中建立橋臂模型，并利用ModelSim軟件和DA電路對該橋臂模型進行驗證。驗證結(jié)果表明，該模型準(zhǔn)確、實時地反映橋臂中點輸出電壓、電流以及IGBT開關(guān)暫態(tài)過程中的電壓、電流尖峰。

Abstract： In order to build the real-time simulation model of inverter leg， this paper analyzes the working state of inverter leg based especially the transient state on the basic structure that composed of two pairs of IGBT and power diode combination. The bridge model is built in FPGA and verified by ModelSim and DA circuit. It is accurate to reflect the module neutral-point voltage， current and peak of voltage and current in switching process of IGBT.

關(guān)鍵詞：IGBT ；逆變器橋臂；現(xiàn)場可編程門陣列；ModelSim仿真

Key words： IGBT；inverter leg；Field Programmable Gate Array；ModelSim simulation

中圖分類號：TN76 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）30-0132-03

0 引言

逆變器是實現(xiàn)交-直流電變換的關(guān)鍵器件，而電力電子器件又是逆變器的核心部件，逆變器中的電力電子以全控型器件為主，目前應(yīng)用最廣泛的是絕緣柵雙極晶體（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）。IGBT可以通過觸發(fā)電壓信號實現(xiàn)管子的開通或關(guān)斷，開通和關(guān)斷過程是非常短暫的，一般只有幾百納秒[1-2]。在現(xiàn)有的軟件模型中，對于IGBT開關(guān)暫態(tài)過程往往視為理想過程，所以難以反映實際中的開關(guān)過程的尖峰電壓、電流，開關(guān)損耗等問題[3-6]；有的模型考慮了開關(guān)過程，但會增大CPU工作量，使得仿真速度降低，例如在M-ATLAB中，對IGBT的參數(shù)進行詳細設(shè)置后，會大大拖慢仿真速度[7-8]。

為了兼顧對IGBT的工作的準(zhǔn)確度和仿真實時性，本文提出采用現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）建立IGBT模型，在此基礎(chǔ)上，建立起逆變器橋臂的模型，該模型由兩個IGBT和兩個續(xù)流二極管組成。根據(jù)橋臂上各元件的工作狀態(tài)，設(shè)計橋臂模型的結(jié)構(gòu)，然后在ISE開發(fā)軟件中利用硬件描述語言VHDL建立軟件模型，在仿真軟件M-odelSim軟件中進行驗證。

1 橋臂工作狀態(tài)

三相逆變器是實際中應(yīng)用比較廣泛的類型，其基本電路圖如圖1所示。圖中Edc表示直流母線電壓，VT1～VT6是全控型電力電子開關(guān)器件（本文以IGBT為例），D1～D6為續(xù)流二極管，N表示三組對稱負載的中性地。逆變器由3組結(jié)構(gòu)相同的橋臂構(gòu)成，每一組都輸出一相交流電，通過協(xié)調(diào)控制每組觸發(fā)時序，就可以產(chǎn)生三相對稱的交流電。由于每組橋臂結(jié)構(gòu)相同，工作狀態(tài)只是相差一定的相位角[9-12]，所以研究一組橋臂的工作過程就可以推出整個逆變器的工作狀態(tài)。本文就是基于逆變器一組橋臂建立仿真模型，研究一組橋臂上在穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)時的工作特性。

逆變器單組橋臂的電路圖如圖2所示。由于電動機一般都為感性負載，所以設(shè)定圖1中負載為感性負載。感性負載的一大特點就是電流在開關(guān)器件的高頻率換流過程中，基本保持不變，相當(dāng)于電流源[13-15]。圖2中各物理量的含義如表1所示，各物理量的正方向如圖2中所示。由于橋臂上下兩個開關(guān)關(guān)不能同時導(dǎo)通，所以橋臂的開關(guān)信號在任意時刻（S1，S2）的狀態(tài)只能是（1，0）、（0，1）（0，0）其中的一種。根據(jù)Io的方向和各電力電子器件的工作狀態(tài)，可以分析得出橋臂的穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)共有4中，用SS取0～3來表示不同的狀態(tài)，橋臂穩(wěn)態(tài)時各元件工作狀態(tài)及相關(guān)變量如表2所示。

橋臂的暫態(tài)就是換流過程，也是不同穩(wěn)態(tài)之間的切換過程，根據(jù)表2中的4種穩(wěn)態(tài)，可以分析暫態(tài)的類型如表3所示。不難看出，暫態(tài)對應(yīng)的都是VT1或VT2的開通或者關(guān)斷過程，由于VT1和VT2是結(jié)構(gòu)性能相同的IGBT，所以暫態(tài)過程可以簡化為該類型IGBT的開通和關(guān)斷過程，用TS取值0和1來代表不同的暫態(tài)過程。

2 軟件設(shè)計

FPGA開發(fā)軟件ISE中采用HDL文件和原理圖文件建立各個功能模塊，如圖3所示。該模型中主要包含脈沖產(chǎn)生模塊simpulse、橋臂狀態(tài)判斷模塊JudgeBrgSt、時鐘分頻模塊HDACLK、暫態(tài)模塊devmod、穩(wěn)態(tài)模塊BrgVar、輸入輸出端口等。

橋臂狀態(tài)判斷模塊產(chǎn)生暫態(tài)信號Trig和橋臂穩(wěn)態(tài)類型信號brg_st。Trig為暫態(tài)IP核devmod的輸入信號，Trig為“1”時進入開通暫態(tài)，Trig為“0”時進入關(guān)斷暫態(tài)；穩(wěn)態(tài)IP核BrgVar既實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)模型，也實現(xiàn)橋臂穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)的連接功能。橋臂狀態(tài)信號st_trans作為穩(wěn)態(tài)IP核BrgVar的輸入信號，當(dāng)st_trans為“0”時，BrgVar輸出穩(wěn)態(tài)值；當(dāng)st_trans為“1”時，BrgVar輸出暫態(tài)值。

3 實驗驗證

FPGA采用Xilinx公司的XC3S500E芯片，該芯片采用的外部時鐘晶振的頻率為50MHz，時鐘周期為20ns，IGBT的模型以Infineon公司生產(chǎn)的FF1400R17IP4型號為參考，穩(wěn)態(tài)工作電壓取750V，電流取500A。

在ISE軟件中編寫仿真測試激勵文件，設(shè)置時鐘信號clk的周期為20ns。ISE中仿真不能實現(xiàn)波形的模擬化，而仿真軟件ModelSim可以實現(xiàn)。在ModelSim中的仿真結(jié)果如圖4所示。

可以看出，圖4中顯示的狀態(tài)變換關(guān)系符合前文設(shè)計邏輯，電壓、電流的變化也反映出IGBT的開關(guān)過程。然后把軟件模型燒錄到FPGA中，通過DA電路輸出。用示波器觀測模型的輸出暫態(tài)電壓如圖5所示。可以看出，橋臂開關(guān)暫態(tài)的電壓變化情況較為詳細，開通過程持續(xù)了約2微妙，關(guān)斷過程持續(xù)約1微妙，與數(shù)據(jù)手冊基本一致，驗證了橋臂模型的正確性。隨后，對模型通入PWM調(diào)制信號，頻率為400Hz，然后觀測輸出電壓，如圖6所示，結(jié)果表明輸出電壓與輸入開關(guān)信號相符，橋臂模型運行正常。

4 總結(jié)

本文分析了逆變器橋臂的工作過程，并在FPGA中設(shè)計其仿真模型，最后通過在ModelSim和DA輸出電路驗證了模型的正確性。驗證結(jié)果顯示，該模型對橋臂的工作過程描述符合實際情況，實現(xiàn)了對橋臂暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)過程的實時、準(zhǔn)確仿真。

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