一种基于FPGA的多电平变流器脉冲生成方法

摘要：提出一种基于现场可编程门阵列(FPGA)及不对称规则采样的级联H桥型变流器触发脉冲的快速生成方法。详细分析了基于不对称规则采样的载波相移SPWM(CPS-SPWM)触发脉冲的快速生成原理。重点介绍了基于FPGA的CPS-SPWM触发脉冲快速生成的实现方法。理论分析和实验结果表明，在既没有增加采样频率，又没有增加计算量的情况下，相对基于对称规则采样的CPS-SPWM脉冲生成方法，该方法具有较快的生成速度，并可广泛应用于DSTATCOM等高压级联H桥多电平变流器触发脉冲的快速生成。
关键词：变流器；不对称规则采样；脉冲生成

1 引言
    CPS-SPWM技术由于具有等效开关频率高、输出电压谐波含量小、信号传输带宽较宽及控制方法简单等优良特性而被广泛应用在级联H桥多电平变流器中。
    较典型的SPWM实现方法主要分为两类：自然采样法和规则采样法，而规则采样法通常存在对称规则采样和不对称规则采样两种方法。文献提出基于不对称规则采样法的GPS-SPWM实现方法，其结论为：相对于规则采样法，采样点和计算量增加了一倍；但变流器输出电压谐波含量却大为减少，波形的不对称性也有所改善。
    在此阐述了级联H桥多电平变流器的CPS-PWM脉冲生成时序。在此基础上，提出一种应用于级联H桥多电平变流器，基于不对称规则采样的CPS-SPWM触发脉冲的快速、精确的生成方法。介绍了基于FPGA的级联H桥多电平变流器的CPS-PWM触发脉冲快速生成的实现方法。

2 CPS-SPWM触发脉冲的生成时序
    级联H桥型多电平变流器的单相主电路结构如图1所示，为分析方便，取级联单元数N=5。元左、右桥臂上、下IGBT开关器件；ux为各单元交流侧输出电压；u为级联装置单相输出总电压；Udc为各单元直流侧电压。装置采用基于CPS-SPWM的单极性开关调制方法，各单元载波urx相互错开时间Ts=Tc／(2N)，其中Tc为载波周期。

    各单元的脉冲生成时序如图2所示。urx的相位与urx-相差180°，分别用来形成功率单元x的VTx1和VTx4的触发脉冲；us为SPWM调制波。

    如图所示，在tn时刻(n=1，…，10；Ts为一个采样周期，tk+1-tk=Ts)采样调制波us，根据不同的采样方法，依次生成SPWM触发脉冲Px1，Px4，分别对应触发VTx1和VTx4；VTx2，VTx3的触发脉冲Px2，Px3分别与Px1，Px4相反，实际应用中加死区延时。
    实际应用中，载波并不以具体波形存在，而代之以双向计数器。这里定义计数器Tx1和Tx4分别对应载波urx和urx-；另设Tx1CMP和Tx4CMP分别为Tx1和Tx4的比较寄存器。

3 CPS-SPWM触发脉冲快速生成原理
    不对称规则采样方法是指在一个载波周期中的峰、谷各采样一次调制波，如图3所示。在t1时刻采样us，计算占空比并加载至T11CMP，在t2时刻T11开始增计数，当比较匹配时形成P11的下降沿；在t6时刻再次采样us，计算占空比并更新T11CMP，在T11上溢时刻开始减计数，当比较匹配时形成P11下一个脉冲的上升沿。

    可见，依据此种方法生成的触发脉冲，较理论上的脉冲延时亦仅为一个Ts，且由于在一个载波周期中两次采样正弦调制波，精度较高。该方法主要缺点是提高了采样频率，增加了计算工作量。但对于如图2所示的级联功率单元的触发时序而言，该方法既没有提高采样频率，又没有增加计算量，具体分析如下：
    根据图3，对于生成同一个触发脉冲，如P11，分别在t1和t6时刻都进行了采样，脉冲生成的采样频率比对称规则采样法高出了1倍。但实际上，参照图2所示的级联单元脉冲生成时序，t6时刻也对应触发脉冲P14生成的采样时刻，因此，总体而言，采样频率没有提高，只是同一采样时刻要进行两个占空比值的计算，如t6时刻，分别要计算P14，P11的占空比D14，D11。只要证明此时D14等于D11即可说明该方法无需增加计算量，证明如下：设TW11=D11Tc，TW14=D14Tc，显然存在：(Tc-TW11)／2=(Tc-TW14)／2，解得TW11=TW14，也即D11=D14，由此可知，任何采样时刻仅需进行一次占空比计算，而无需增加额外的计算量。
    P11和P14生成过程及时序为如图4所示。在t1时刻，采样us并计算D11(D14)，并加载到T11CMP和T14CMP，当下一个同步信号到达即t2时刻清零T11开始增计数，生成P11的下降沿；同时，重载T14并开始减计数，生成P14的上升沿。同理，在t6时刻，采样us计算D14(D11)，并加载到T14CMP和T11CMP，在t7时刻分别清零T14开始增计数，重载T11并开始减计数，生成P14的下降沿和P11的上升沿。

    参照图2，整个级联单元的脉冲生成时序为：
    ①t1，t2，t3，t4，t5时刻采样依次生成的SPWM触发脉冲为：P11↓(下降沿)和P14↑(上升沿)，P21↓和P24↑，P31↓和P34↑，P41↓和P44↑，P51↓和P54↑；
    ②t6，t7，t8，t9，t10时刻采样依次生成的SPWM触发脉冲为：P14↓和P11↑，P24↓和P21↑，P34↓和P31↑，P44↓和P41↑，P54↓和P51↑。

4 触发脉冲快速生成的实现方法
    为充分发挥上述级联H桥变流器CPS-SPWM触发脉冲快速生成方法的优越性，采用规模大、集成度高、可靠性强、编程灵活的FPGA芯片EP2C20／EP2C5，来完成触发脉冲生成及其他包括分配、传输、驱动、逻辑综合与控制等功能。
    实际工程中，触发脉冲生成由两部分组成，即顶层触发监控模块、底层脉冲生成模块，两模块之间采用光纤通讯模式，具体阐述如下：
    (1)顶层触发监控模块  触发监控模块主要负责触发脉冲占空比、同步信号、控制命令、底层控制参数等信息的下发；采集处理底层控制系统的功率单元运行状态以及逻辑综合、故障处理等任务，控制结构原理如图5所示。

    通信模块(2)是整个触发监控系统中的关键性环节，主要承担的任务有：①接收模块(1)的译码控制命令，判断命令类型；②同步信号的编码、下发；③接收底层控制系统上传的各功率单元运行状态信息，存储到RAM2相应存储单元中并传输到故障处理模块；接收故障模块向底层控制系统发出的故障处理命令。
    (2)底层脉冲生成模块  底层脉冲生成模块除负责脉冲生成、驱动控制任务外，还担负着整个功率单元的通信和故障处理任务。该模块主要由脉冲生成单元、通信单元及IPM驱动接口电路等几部分组成。脉冲形成单元负责CPS-SPWM触发脉冲的生成任务。脉冲生成的原理在前文中已经作了详细的介绍，这里将重点介绍各功率单元的底层控制系统脉冲生成的过程，如图6所示。

    脉冲形成单元主要由载波形成模块和比较模块两大部分组成：载波形成模块用来形成三角载波。比较模块的主要任务是生成IGBT触发脉冲。即将存放在Tx1CMP／Tx4CMP中的占空比数据与Tx1／TX4中的载波数据进行比较，输出PWM触发脉冲。需要说明的是，Tx1CMP／Tx4CMP中的数据在对Tx1／Tx4进行清零或重载的同时，进行数据更新(重载)。

5 实验
    实验模型参照图1，直流侧电压Udc=90 V，载波频率1／Tc=1．28 kHz，采样周期Ts=78．125μs。脉冲传输采用编码方式，传输延时Ttr≈5μs。实验波形如图7所示。

    图7a，b分别为基于对称和不对称规则采样法的输出电压u及调制波us的波形。可见，基于对称规则采样法的u滞后us约5 ms；而基于不对称规则采样法的u滞后us约3 ms，具有较快的生成速度。

6 结论
    理论分析和实验结果表明：此处所述基于不对称规则采样法的CPS-SPWM脉冲生成方法，相对基于对称规则采样法的CPS-SPWM脉冲生成方法，既没有增加采样频率，也没有增加计算工作量，具有较快的生成速度。此外，由于采用了基于FPGA的CPS-SPWM脉冲生成的实现方法，为上述CPS-SPWM脉冲的快速生成提供了重要保障。