交流电源的设计

交流电源的设计第1页共12页交流电源的设计曹学科田丹丹谭先锋（南华大学湖南衡阳421001）指导老师：王彦摘要：利用FPGA完成交流电源的设计，220V交流电压经斩波和逆变之后输出大小可调且成正弦变化的交流电压。SPWM脉宽调制信号的产生和变频部分是基于超高速硬件描述语言VHDL在Xilinx公司的SpartanⅡ系列的XC2S2005PQ-208芯片上编程实现；经仿真调试，产生的电压大小和预置的基本一致，达到技术指标。关键词：FPGA,VHDL,SPWM脉宽调制，变频DesignoftheACPowerSupplyCaoXuekeTianDandanTanXianfeng（NanhuaUniversityHengYangHunan421001）Teacher：WangYanAbstact：DesigntheACPowerSupplybyFPGA.TheACvoltagecanoutputanACvoltagewhichcanberesizedandvaryinginsineformafterDC-DCconverterandDC-ACconverter.GeneratingoftheSPWMsignalandfrequencyconvertingisprogrammedwithhardwaredescriptionlanguageVHDLandrealizedinthechipofXC2S2005PQ-208,SpartanⅡSeries,Xilinx,Co.Theoutputvoltageisconsistwiththevoltagepre-establishedandcanreachthetechniqueindex.Keywords：FPGA,VHDL,SPWM,frequencyconverting交流电源的设计第2页共12页目录第一章系统设计……………………………………………………………31.1设计要求…………………………………………………………………...……31.1.1基本部分……………………………………………………………………..31.1.2发挥部分…….………………………………………………………………..31.2总体设计方案………………………………………………………………….31.2.1设计思路……………………………………………………………………..31.2.2方案比较……………………………………………………………………..31.2.3系统组成及工作原理……………………………………………………………..3第二章单元电路设计……..………………………………………………….22.1主电路图…………………………………………………………………………42.2整流滤波电路………………………………………………………………….…42.3直流斩波电路………………………………………………………………….…42.4逆变电路……………………………………………………………………….…52.4.1SPWM控制的基本原理…………………………………………………………52.4.2SPWM逆变电路的设计…………………………………………………………5第三章软件设计………………………………………………………………6第四章系统测试………………………………………………………………64.1测试使用的仪器………………………………………………………………74.2测试方法…………………………………………………………………………74.3指标测试和测试结果………………………………………………………..……7第五章结束语………………………………………………………………...10第六章参考文献……………………………………………………………10附录…….…………………………………………………………………………..5程序清单…….………………………………………………………………………...5交流电源的设计第3页共12页第一章系统设计1.1设计要求1.1.1基本部分设计一交流电源，输入为220V交流电，输出为频率、幅值可调的交流电压。1.1.2发挥部分实现正弦波脉宽调制（SPWM），使输出为频率、幅值可调，且成正弦变化的交流电压。1.2总体设计方案1.2.1设计思路交流电源是一种AC/DC/AC变换装置。首先将220V交流电经整流得到脉动直流，再经滤波得到平滑直流送至斩波器，通过FPGA来控制斩波器，得到的直流电大小，最后通过FPGA产生正弦波脉宽调制信号控制逆变器的变频频率，将直流电变为频率和大小都可调的交流电输出。1.2.2方案比较方案一：采用传统的数字电路方法完成设计。对于斩波部分采用脉宽调制芯片SG3524，该方法简单实用，但有电源电压的限制，控制不够灵活，可靠性不高。方案二：由单片机来完成设计。目前，单片机的功能已比较强大，集成度日益增高且其设计和控制比较容易。现有的大部分都是用单片机来控制输出电压大小。但是单片机最小系统的抗干扰性差，在运行过程中容易死机或进入死循环，可靠性降低。方案三：用FPGA控制IGBT的导通时间以及逆变电路部分的变频频率，从而改变输出电压的幅值和频率。该方法编程简单，控制灵活，而且抗干扰性强，随着大批量的生产，成本也有下降的趋势。综上，此处采用FPGA来完成交流电源的设计是最佳方案。1.2.3系统组成和工作原理220V固定可调f、Vf,V可调交流直流DC的交流电图1-2-3-1原理方框图图1-2-3-1为系统的原理框图。220V交流电压经过单相全桥整流滤波电路后得到幅值固定的直流电。直流斩波部分采用脉宽调制（PWM）法或称为变频调宽法，即固定周期T，改变开关管IGBT的导通时间Ton，达到改变直流电输出幅值的目的。此处采用FPGA来产生频率可调的方波信号以控制Ton。最后通过逆变器使直流变为交流电压输出。逆变电路采用MOSFET管组成的全桥电压型逆变电路。通过正弦波脉宽调制（SPWM）使输出为正弦交流电压。利用FPGA产生一系列等幅不等宽，可等效于正弦波的矩形脉冲做为开关管的控制信号，使MOSFET管交替导通和关断，产生频率和幅值都可调的正弦交流电压。FPGA整流滤波斩波（IGBT）逆变（MOSFET）驱动（EXB841）驱动（TLP250）PWM信号SPWM信号交流电源的设计第4页共12页U0：输出平均电压UD：固定直流电压第二章单元电路设计2.1主电路图图2-1-1为主电路图，由整流滤波，斩波电路和逆变电路三个部分组成。其中IGBT的导通时间和逆变部分的控制信号的频率用FPGA来实现。图2-1-1主电路图2.2整流滤波电路采用单相不控全桥整流电路。220V交流电压先经过整流得到脉动直流电压，然后经过滤波电路，最终得到平滑的直流电压，其工作波形如图2-2-1所示。（a）输入电压波形（b）经整流得到的脉动直流（c）经滤波得到的直流电压图2-2-1整流滤波后的电压波形2.3直流斩波电路斩波电路的作用是将经整流滤波后得到的固定直流电压转换成可变的直流电压，即实现DC－DC变换。在这种变换电路中，输入的电压是固定不变的，可以利用控制开关管的开通和关断时间To和Toff来调节开关管的占空比，以控制输出电压的平均值。斩波电路的工作波形如图2-3-1所示。其中UD是固定的输入直流电压，U0是输出的平均电压。图2-3-1斩波电路工作原理波形交流电源的设计第5页共12页（a）开关管的选择。斩波电路的核心器件是开关管，对开关管的选择主要要求是高速，低导通电阻，低损耗。有以下几种选择方法：方法一：选用晶体三极管。晶体三极管需要较大的驱动电流，并且结和结之间的电容比较大，从而使它的动态特性不够好，整个功放的静态损耗及开关过程中的损耗都会增大。方法二：选用功率场效应晶体管MOSFET或绝缘栅极晶体管IGBT。MOSFET开关速度快，安全工作区宽，但是其通态电阻较大，通态压降较高，随着器件耐压的升高，其通态电阻也会增大。而IGBT的导通电阻很低，通态压降也比较低，开关损耗小，能承受较大的工作电流，因此选用IGBT作为开关管。（b）控制电路的选择。要控制输出电压的幅度，就是控制其导通时间Ton。有以下两种方法可选择：方法一：选用脉宽调制芯片SG3524。该方法虽然简单易行，但是要受到电源电压的限制，不利于灵活控制。不能实现发挥部分要求正弦波输出的要求。方法二：利于FPGA实现对导通时间Ton的控制。用VHDL硬件描述语言编写程序，产生一系列频率可调的方波，以此作为控制信号来对IGBT的导通时间进行控制，再下载到FPGA芯片中，功能清晰，实现灵活。因此，选用方法二完成控制电路的设计。2.4逆变电路2.4.1SPWM控制的基本原理SPWM（正弦波脉宽调制）的原理图如图2-4-1所示。其控制思想是利用逆变器的开关元件，由控制线路按一定的规律控制开关元件的通断，从而在逆变器的输出端获得一组等幅、等距而不等宽的脉冲序列。其脉宽基本上按正弦分布，以此脉冲来等效正弦电压波。图中示出正弦波的正半周波形，并将其划分为N等份，这样就可以把正弦半波看成由N个彼此相连的脉冲所组成的波形。这些脉冲的宽度相等，但是幅度不等，且脉冲顶部示曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果将每一等份的正弦曲线与横轴所包围的面积用一个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替，就得到了图中所示的脉冲序列。这样，由N个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形与正弦波的正半周等效，正弦波的负半周也可以用同种方法来等效。用该序列来控制开关管的导通和关断，输出的交流电压就按照正弦规律变化。2.4.2SPWM逆变电路的设计逆变电路的作用是将直流电能转换为交流电能，即实现DC－AC的转换。经过斩波后得到了幅度大小可控制的直流电压，再经过逆变器，将直流电压变为交流电压输出。通过正弦波脉宽调制SPWM可以使输出交流电为正弦形式变化；调节控制信号UG1、UG2、UG3、UG4的频率，以此来完成对输出交流电压频率的调节。采用全桥逆变电路，由四个开关管组成，开关管选择功率MOSFET，因为它具有开关速度快，电压驱动等特点，特别是由于它反向导电，应用在谐振逆变电路时，可省掉反馈二极管，所以采用MOSFET作为逆变器的主开关元件。由图可见控制信号UG1和UG4，UG2和UG3同相位，且UG1和UG4，UG2和UG3的相位互差180º。电路图中的开关管V1,V2,V3,V4在控制信号UG1、UG2、UG3、UG4的作用下交替导通，当V1和V4同时处于通态时，V2和V3处于断态。图2-4-2（a）为其SPWM控制信号波形，（b）、（c）为其电压输入输出波形信号。交流电源的设计第6页共12页图2-4-2逆变电路工作波形第三章软件设计相关软件采用VHDL硬件描述语言编写。VHDL是用于逻辑设计的硬件描述语言，成为IEEE标准。利用它，硬件的功能描述可完全在软件上实现。它支持自顶向下（TopDown）和基于库（Library_Based）的设计方法，支持同步电路、异步电路、FPGA以及等随机电路的设计，范围很广，语言的语法比较严格，给阅读和使用都带来极大好处。软件设计分为两个部分：PWM信号产生和SPWM脉宽调制信号产生。PWM信号部分主要是对逆变电路的开关管进行控制，因此只要产生频率可调的方波即可控制其电压。这两个部分都在一个程序中实现。SPWM信号产生主要是产生一系列宽度不一致，可等效于正弦波的脉冲，用此脉冲去控制逆变电路中开关管的开通和关断时间。其设计原理框图如图3-1所示。1MHz10KHz图3-1程序设计原理框图由于所用实验箱的晶振为32MHz，频率过高，以此作为时钟信号的话得到的波形不稳定，因此首先对该晶振进行分频，得到频率比较小的脉冲作为工作时钟信号。经验证，方波的时钟频率为1MHz时得到的波形比较稳定，SPWM信号在10KHz时波形比较稳定。可利用键盘来完成频率设定，设定范围为0～255(八位二进制数“11111111”)。当datafck确定后，来一个脉冲，该值增加一次，输出高电平，一直加到255，输出反相，这样得到的就是方波