CPLD在航空15V/400Hz高頻鏈逆變電源中的應(yīng)用

0 引言
航空配電系統(tǒng)所用l15V/400Hz電源一般是由直流逆變所得，主要供軍用飛機(jī)、雷達(dá)等設(shè)備使用。逆變電源中的能量轉(zhuǎn)換過程是，直流電通過逆變電路變換成高頻脈沖電壓，經(jīng)濾波電路形成正弦波。近來，高頻鏈逆變技術(shù)引起了人們?cè)絹碓綕獾难芯颗d趣。高頻鏈逆變技術(shù)用高頻變壓器來代替?zhèn)鹘y(tǒng)逆變器中笨重的工頻變壓器，大大減小了逆變器的體積和重量。高頻鏈逆變技術(shù)是由Mr.Espelage于1977年提出的，它與常規(guī)的逆變技術(shù)最大的不同在于利用高頻變壓器實(shí)現(xiàn)了輸入與輸出的電氣隔離，減小了變壓器的體積和重量。

傳統(tǒng)的高頻鏈逆變器由常規(guī)數(shù)字電路構(gòu)成，存在設(shè)計(jì)復(fù)雜、抗干擾能力差等缺點(diǎn)。為了解決該問題，本文采用復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)來實(shí)現(xiàn)控制電路的設(shè)計(jì)。CPLD是在PAL、CAL的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的陣列型PLD，具有高密度、高速度的優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)采用的是Altera公司MAX7000S系列的EPM7128SLC84-6可編程器件，該器件采用第二代多陣列矩陣結(jié)構(gòu)，工作電壓為5V，支持系統(tǒng)編程，工作頻率可達(dá)151．5 MHz，具有128個(gè)宏單元，每個(gè)宏單元中的可編程擴(kuò)展乘積項(xiàng)可達(dá)32個(gè)，具有可編程加密位，可對(duì)芯片內(nèi)的設(shè)計(jì)加密。

l 高頻鏈逆變電源主電路結(jié)構(gòu)
傳統(tǒng)帶隔離變壓器的逆變電源由高頻逆變器、整流器、PWM逆變器和輸出濾波器組成，需要3級(jí)功率變換，存在通態(tài)損耗高，且只能單相功率傳輸?shù)热秉c(diǎn)。

圖1所示為雙向電壓源高頻鏈逆變器的原理圖，該方案是目前實(shí)現(xiàn)雙向傳輸功率的常用方案。前級(jí)電路由全橋移相控制電路和高頻變壓器組成，后級(jí)電路采用周波變換的交交變頻器。高頻鏈逆變器采用直流一高頻交流一低頻交流的電路拓?fù)?，全橋移相控制電路通過軟開關(guān)ZVS方式將直流電壓斬波成不含低頻成分的高頻脈沖，通過高頻變壓器送入周波變換器，后者通過PDM方式將高頻交流脈沖恢復(fù)為正弦脈寬調(diào)制波(SPWM)，經(jīng)過低通濾波器輸出光滑的正弦波信號(hào)。因?yàn)樵撃孀兤髦挥卸?jí)功率變換環(huán)節(jié)，并且可以做到兩級(jí)的軟開關(guān)控制，開關(guān)頻率很高(100kHz)，所以效率較高，體積較正弦脈寬脈位調(diào)制(SPWPM)方式的逆變器要小。

2 控制電路及控制策略
前級(jí)的移相變換器采用目前應(yīng)用最廣泛的軟開關(guān)電路——移相全橋型零電壓電路(ZVS)，其原理是利用變壓器漏感LIK和功率管輸出電容Gi諧振，漏感儲(chǔ)能在向Gi釋放過程中，使Ci電壓逐步下降到零，體二極管Di開通，創(chuàng)造了開關(guān)管的ZVS條件。為了改變占空比D，實(shí)現(xiàn)調(diào)壓控制，采用了移相技術(shù)。每個(gè)橋臂的兩個(gè)開關(guān)管成互補(bǔ)導(dǎo)通，兩個(gè)橋臂的導(dǎo)通角相差一個(gè)相位，即移相角，通過調(diào)節(jié)移相角的大小來調(diào)節(jié)輸出電壓。S1和S2分別超前于S3和S4一個(gè)相位，稱S1和S2組成的橋臂為超前橋臂，S3和S4組成的橋臂則為滯后橋臂。通過改變開關(guān)管控制策略，使其中一個(gè)開關(guān)管先關(guān)斷，一次繞組與諧振電容配合，并產(chǎn)生可控的dr／df。漏電感和功率MOSFET的輸出電容構(gòu)成了諧振網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了ZVS控制。系統(tǒng)的脈沖工作時(shí)序如圖2所示，經(jīng)過全橋移相變換器的高頻逆變，輸出100kHz相鄰脈沖互為反極性的SPWPM(正弦脈寬脈位調(diào)制)波，該波形含有SPWM波的全部信息，但不含400Hz調(diào)制波的基波成分，因而可以利用高頻變壓器進(jìn)行耦合傳輸。后級(jí)的交交周波變換器采用脈沖密度調(diào)制方式，將高頻交流SPWPM波調(diào)制常規(guī)的SPWM波，其原理是輸出的電壓波形是由輸入的高頻離散半周期脈沖數(shù)目或密度“拼湊”合成。將得到的·400Hz SPWM波通過LC濾波，則輸出光滑的115V／400Hz的正弦波。

3 CPLD)脈沖觸發(fā)系統(tǒng)工作原理
整個(gè)系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，控制算法上采用重復(fù)控制技術(shù)。通過DSP實(shí)現(xiàn)控制算法的調(diào)節(jié)，CPLD實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的時(shí)序和邏輯控制。

系統(tǒng)整體電路框圖如圖3所示，控制電路包括DSP和CPLD兩部分，輸出電壓反饋給控制電路，控制電路根據(jù)給定輸入，相應(yīng)調(diào)整前端逆變電路和后端周波變換電路的觸發(fā)脈沖。逆變的移相控制電路的實(shí)現(xiàn)方法相對(duì)簡(jiǎn)單，圖4是移相控制電路的實(shí)現(xiàn)方法，其中Ve為鋸齒波載波信號(hào)，Vml和Vm2為調(diào)制信號(hào)。當(dāng)載波信號(hào)高于調(diào)制信號(hào)時(shí)，輸出高電平；當(dāng)載波信號(hào)低于調(diào)制信號(hào)時(shí)，輸出低電平。由于移相控制的開關(guān)頻率固定，且輸出信號(hào)占空比為50％，因此將V1-和V2信號(hào)的上升沿作為觸發(fā)信號(hào)，進(jìn)行二分頻，則可以獲得開關(guān)管S1和S4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)vgs1和vgs4，通過互補(bǔ)關(guān)系可以獲得S2和S3的驅(qū)動(dòng)信號(hào)vgs2和vgs3。本部分的功能通過CPLD來實(shí)現(xiàn)，由Verliog編程獲得。

在電壓型高頻逆變電路中，周波變換器的換流問題成為研究的難點(diǎn)和關(guān)鍵。原因是如果強(qiáng)行關(guān)斷功率管以實(shí)現(xiàn)換流，會(huì)在濾波電感中產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)。周波變換器電路PDM控制方式觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生是研究的重點(diǎn)。用傳統(tǒng)的方法實(shí)現(xiàn)同步較困難，一般采用CPLD進(jìn)行同步設(shè)計(jì)，其中的數(shù)字電路可以確保實(shí)現(xiàn)精確的同步控制。其控制邏輯框圖如圖5所示。圖中同步信號(hào)由移相控制信號(hào)開環(huán)合成，vgs1表示超前橋臂S1開關(guān)的控制信號(hào)，延遲a1角，進(jìn)行異或是為了得到與S1同步的二倍頻信號(hào)S1,″，再延遲a2角獲得Vk1，它作為D觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)，將常規(guī)SPWM波轉(zhuǎn)化為軟化PWM波，Vk1二分頻獲得vgs1信號(hào)，它決定了雙向開關(guān)切換時(shí)刻。

4 系統(tǒng)邏輯與時(shí)序功能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)
在本系統(tǒng)中，CPLD開發(fā)環(huán)境是MAXPLUSII，用Verliog對(duì)硬件進(jìn)行編程。圖6為時(shí)序仿真波形，其中CLK是CPLD系統(tǒng)時(shí)鐘，vgs1是作為前端逆變電路和后端周波變換電路的同步信號(hào)，vgs1′是延遲a1角的信號(hào)，vgs1″是vgs1′與vgs1′異或得到的，它作為D觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)，PWM是軟化同步后的調(diào)制信號(hào)，vgs11是S11開關(guān)管的觸發(fā)脈沖。其中vgs1和vgs1″不作為輸出信號(hào)要求輸出，只是為仿真調(diào)試方便列出。

采用上述主電路結(jié)構(gòu)和控制方式，研制了輸出功率350W，輸出頻率400Hz，輸出電壓115V，開關(guān)頻率100kHz的原理樣機(jī)。圖7給出的是前端移相全橋的輸出波形，測(cè)試點(diǎn)是高頻變壓器的副邊，波形與原理波形一致。因?yàn)楦哳l變壓器漏感的緣故，開通瞬間存在振蕩電壓尖峰。

圖8是逆變器的輸出波形，通過兩級(jí)LC濾波，波形諧波畸變很小，滿足指標(biāo)要求。

5 結(jié)語
實(shí)現(xiàn)高集成度，高靈活性，具有較高的參考價(jià)值。