基于CPLD的脉冲密度功率调节高频逆变电源

作者：邱正伟 沈锦飞 沈东辉 周克冬

引言

目前，高频感应加热电源的输出功率调整主要是通过改变逆变器的输出频率或改变逆变器的输入直流电压方式来实现的。改变逆变器的输出频率实现输出功率的调节是目前普遍采用的一种功率调节方式，其缺点是逆变器的负载为感性，特别是在轻载时，逆变器的输出功率因数很低，开关损耗大。通过控制逆变器实现功率控制就能改变这一缺点。脉冲密度调制(Pulse Density Modulated，PDM)DC/AC逆变器是利用串联谐振负载的储能，对逆变器的开关采用脉冲群控制的方式，在一个周期内通过控制连续开通脉冲信号和连续关断脉冲信号的比例(占空比)来控制输出功率。传统的PDM实现方式是用许多计数器以及一些PWM专用芯片来实现的，这种方法稳定成熟，但控制电路复杂。在此提出了一种用CPLD来实现脉冲均匀调制的方法。这种方法简单易行，开发周期短，电路简单，体积小，频率跟踪范围宽，开关管可工作在零电流关断 (ZCS)和零电压开通(ZVS)状态。

1 电路结构

图1为脉冲均匀控制串联谐振逆变电源的主电路图，它包括三相不可控整流电路、滤波电路、逆变电路和串联谐振电路。

图1中：C1，L1为滤波电容和滤波电感;L0为负载;D1，D2，D3，D4分别为反并联快速二极管;T1，T2分别为电流互感器;R2，R3分别为分压电阻;VT1，VT2，VT3，VT4分别为开关管IGBT;C2为隔直电容，T0为负载匹配变压器。

图2为整个控制系统框图，以CPLD作为主控芯片，包括频率跟踪电路，驱动电路，检测电路，以及显示部分。

三相电源经过整流电路输出直流电压，该直流电压经过滤波后输入到逆变器，逆变器实现DC/AC变换，生成的交流电经变压器输出给负载。逆变器的开关管由CPLD组成的控制电路进行控制。主要的控制过程如下：VT1，VT4同时导通，电流正向通过负载;VT2，VT3同时导通，电流反向通过负载，实现直流变交流。为了使逆变成功，必须保证上下桥臂的开关管不能同时导通，否则逆变失败，所以在设计开关控制信号时必须加入死区。

2 脉冲密度控制功率原理

密度调节功率控制的基本思路是假设总共有N个调功单位，在其中M个调功单位里逆变器向负载输出功率，而剩下的(N-M) 个单位内逆变器停止工作，负载能量以自然振荡形式逐渐衰减，输出的脉冲密度为(M/N)%。输出功率的调节是通过控制图3中的IG-BT使VT1，VT4 与VT2，VT3交替工作实现的。其原理如下：

把开关管VT1和VT3的控制信号看作是n个1/2i(i=1，2，…，n)分频器相加而成，即一个控制周期内有2n个控制脉冲。当开关管完全工作时，即功率最大时为2n/2n，去掉1个脉冲，剩下2n-1个脉冲时，功率值为(2n-1)/2n;去掉m(m<2n) 个脉冲剩下(2n-m)脉冲时，功率值为(2n-m)/2n;在没有脉冲，即m=2n时开关管完全关断，即功率最小时为0。控制这n个分频器的组合就可以控制逆变器的输出功率。

该设计采用4个分频器，即n=4。包括2分频器、4分频器、8分频器、16分频器，通过他们的不同组合得到16个不同的功率值，如表1所示。其中，0表示关，1表示开。全关时功率值为0，全开时为1。其余组合对应的功率值如表1所示。

图4给出功率值为1/16，2/16，4/16，8/16时的控制信号图，同时也是16分频、8分频、4分频、2分频原理图，不同功率值时VT2，VT4的控制信号相同。电路工作状态简要说明，如图4所示。

当VT1，VT4导通，VT2，VT3关断时，负载谐振电流为正，负载谐振电流经VT1，R1，L2，C2，VT4由a流向b，等效电路如图4(a)所示，由U供电。

当VT1，V T4关断，VT2，VT3导通时，负载谐振电流为负，负载谐振电流经VT2，C2，L2，R1，VT3由b流向a，等效电路如图4(b)所示，由U供电。

当VT1，VT2，VT3关断，VT4导通时，负载谐振电流为正，负载谐振电流经R1，L2，C2，VT4由a流向b，等效电路，如图4(c)所示，通过D3续流。

当VT1，VT3，VT4关断，VT2导通时，负载谐振电流为负，负载谐振电流经电流经VT2，C2，L2，R1由b流向a，等效电路如图4(d)所示，通过D1续流。

3 脉冲密度控制策略的CPLD实现

以Altera MAXⅡ EPM1270芯片为平台，它包括1 270个LE，相当于40 000门数，8 kB的用户可用FLASH，116个I/O口。采用QuartusⅡ5.1进行编程下载仿真。

图5给出了CPLD脉冲密度控制的逻辑模块框图。其中，主要包括脉冲信号分配控制模块、脉冲分配模块、脉宽计算和死区时间设置模块以及PWM脉宽控制模块等。

脉冲分配模块根据功率给定值对脉冲分配模块进行控制，脉冲分配模块由2，4，8，16四个分频器组成。它根据脉冲分配控制模块的信号对分频器进行组合，脉宽计算和死区时间设置模块根据输入电流信号计算其脉宽，并控制PWM输出模块控制脉宽并进行死区设置。

4 仿真与试验

下面给出CPLD实现脉冲密度功率控制的部分仿真图和试验图。仿真图中，信号从上到下分别是：使能信号、电流输入信号 Iin、功率给定PWM1，PWM2，PWM3，PWM4控制信号，分别控制VT1，VT4，VT3，VT2。图6给出了以QuartusⅡ5.1为软件环境，功率值为8/16和16/16时的仿真图。图7是对应的下载到Altera MAXⅡEPM1270芯片的部分试验波形图。

图8给出了输入电源三相220 V(相电压)，频率50 Hz，输出功率P=1 kw，谐振频率f=100 kHz，负载等效电感L2=26μH，负载等效电阻R1=6.5 Ω的部分实验结果图。两波形图坐标值相同，方波为电压，正弦波为电流。

5 结语

在此提出的采用CPLD实现脉冲均匀调制功率控制逆变器的策略，CPLD承担PWM生成，密度调节以及死区时间控制的任务，通过电流的反馈，实现频率的跟踪，使逆变器始终工作在谐振状态，提高工作效率，减少损耗。仿真与试验结果表明了该方案的可行性。该方案具有可靠性高，能有效减少控制板的体积，电路简单，易于实现高频化的优点。