中压机电驱动系统的SPWM脉冲调制方案设计

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(许昌许继风电科技有限公司，河南 许昌 461000)

中压机电驱动系统的SPWM脉冲调制方案设计

王鹏，时春雨

(许昌许继风电科技有限公司，河南 许昌 461000)

中压型机电驱动装置的脉冲调制技术较为复杂，需考虑死区、窄脉冲滤波等因素。提出一种新型正弦脉冲调制系统方案。采用FPGA设计SPWM的脉冲产生程序，提出新型的状态循环算法产生三角载波、脉冲信号，并对调制波的边沿比较进行了优化。同时，设计了4.5 kV IGBT的驱动板卡，给出了驱动芯片、驱动电路、滤波电路等方案。实验测试表明，所述方案的死区、脉冲宽度均满足中压IGBT的性能指标。

正弦脉冲调制；死区；窄脉冲；驱动电路

0 引 言

目前，机电驱动领域对电力电子装置的脉冲驱动系统要求越来越高。其中，正弦脉冲调制(sinusoidal pulse width modulation, SPWM)极为重要。中压型IGBT驱动装置具有电压等级高、功率大的优点，但其开通、关断时间较长，调制技术较为复杂。对于半桥型低压IGBT结构，死区通过驱动芯片即可完成，不必使用现场可编程门阵列(FPGA)去处理。但对于T型三电平、多电平等非对称的中压IGBT拓扑[1]，死区无法通过驱动芯片设计，只能通过FPGA算法来设计。

现有文献对FPGA设计死区、窄脉冲的研究较少。文献[2-3]研究了FPGA的SPWM调制方案，给出了SPWM的算法原理，通过设计FPGA的通信、三角载波比较模块得到可调脉冲源。但其局限于低压IGBT的设计，未研究死区、窄脉冲的处理。文献[4]设计了一种死区处理方法，但未考虑三角载波、调制波在阶梯波边沿比较发生窄脉冲的情况，此窄脉冲加死区后会引起脉冲失真。且其延时参数选型较小，不适用于中压IGBT的调制。

下面提出一种新型中压IGBT SPWM调制系统，包括FPGA的软件设计、IGBT的硬件驱动板卡设计。给出了FPGA软件流程图、驱动板卡电路图等。对50 Hz正弦调制波的测试表明，脉冲宽度、死区时间、谐波特性均较为理想。

1 中压驱动系统的脉冲调制原理

1.1 SPWM调制原理

图1 全桥型拓扑的单极性SPWM调制

对于三电平、多电平拓扑的调制方案，均可等效成以SPWM调制为基础的扩展[5]，其脉冲仍存在互补型PWM脉冲。因此，以全桥IGBT结构为研究基础，见图1。其中：Vab为调制输出的交流侧电压;Vdc为直流电压;vc为控制系统的参考调制波;vtri为三角载波。

单极性SPWM的原理如下：1)在vc正半周内，当调制波vc大于三角波vtri时，输出Vdc电平；反之则输出零电平。2)vc负半周采用同样的调制方法，并进行倒相操作。3)相电压Vab为在Vdc和-Vdc间跳变的脉冲波，载波频率ftri与调制波频率fc之比为载波比Nf。

目前，国内外各厂家的中压IGBT电压等级为3.3 kV、4.5 kV、6.5 kV几种类型，其结构包括压接式、焊接式两种类型。由表1可见，中压IGBT的开通、关断时间较长，是低压IGBT的2～5倍甚至更长。通过计算中压IGBT的损耗，实际产品的开关频率通常较低，一般选择1 kHz左右[6]，这也要求避免产生较窄的脉冲。总之，中压IGBT调制技术要求具有较大的死区和脉冲宽度。

表1 不同电压等级的IGBT参数表

表1中，IGBT1为东芝的ST1500GXH24，额定电压4.50 kV，采用压接式封装。IGBT2为英飞凌的FZ1500R33HE3，额定电压3.3 kV，采用焊接式封装。IGBT3为英飞凌的FF1000R17IE4，额定电压1.7 kV，采用焊接式封装。

1.2中压SPWM调制系统总体方案

以表1中的IGBT1为研究对象，给出了SPWM调制系统的总体设计方案，见图2。

图2 SPWM调制系统的总体方案

图2中，主控板采用DSP+FPGA结构；每个IGBT采用单独的驱动板，每个驱动板具有一收一发光纤。DSP负责进行调制波vc的产生，完成控制、逻辑方案的操作；FPGA负责接收调制波、产生三角波，最终计算出PWM脉冲；驱动板接收FPGA光纤信号，并将光信号转化为驱动电压信号。上位机界面可对调制波进行设置，并设置启停命令。

2 FPGA的软件方案

图3为FPGA软件方案示意图，操作如下：

1)进行时钟分频处理，产生两路互补的高精度的三角载波信号，接收DSP的正弦调制波信号vc。

2)利用状态循环算法进行调制波、三角载波的比较，产生初步的PWM调制信号。如图1所示，S1/S2互补，S3/S4互补。

3)施加死区、窄脉冲滤波处理，进行故障检测。

驱动板卡的功能如下：

1)接收4路光纤信号，将其转化为电压信号供给驱动芯片；输出门极±15 V的高低电平驱动。

2)滤波电路对IGBT的Vce进行检测，并与驱动芯片进行信号交互。同时，处理退饱和、过流等故障。

图3 FPGA软件方案示意图

2.1三角载波的编程实现

采用“状态循环算法”实现三角载波的发生，其VHDL程序实现的状态机如图4、图5所示。

图4 三角载波示意图

图5 三角载波生成的状态循环算法

图4中，三角波的频率为250 Hz，计数器计数时钟为100 MHz，每8个计数时钟计数器TRICOUNTER增加1，三角载波的峰值理论计数值为25 000(61A8)。当出现正弦波的负半轴时，调制波及三角载波整体往上偏移25 000。

图5中，计数器存在几种状态字的变换。在计数器TRICOUNTER加到峰值25 000时，则每8个计数时钟三角载波计数器开始减1，等到三角载波计数器的值减到0时，三角载波计数器的值再增加。当存在持续的使能信号时，三角载波计数器会重复0～6的状态，实现循环的载波信号输出。

2.2调制波与三角载波比较的编程实现

图6 调制波与三角载波比较的状态循环算法

图6中，采用“状态循环算法”实现调制波、三角载波比较。正弦调制波是数字化的阶梯波。如果在阶梯波切换的边沿发生了三角载波的相交，则会出现较窄的脉冲。窄脉冲经死区处理后容易造成脉冲失真。

这里提出了状态循环算法，利用正弦波在一个三角载波周期只相交两次的原理，进行改进：1)三角载波、调制波第1次相等时，保持该调制波固定，防止出现阶梯变化；2)此后，当检测到三角载波大于调制波的最大限幅时，再更新调制波，允许第2次相交；3)第2次相交后仍保持调制波固定，防止其出现阶梯变化。

2.3死区设置的编程实现

由于中压IGBT器件的关断延时通常比低压器件较长，在设置死区时，需考虑关断延时。图7中，结合东芝ST1500GXH24的技术参数，并参考外围驱动电路的实验测试，最终确定死区时间为20 μs。在图1中，死区应设置在S1/S2、S3/S4之间。

图7 死区设置原理图

图8 死区设置的程序流程图

图8中，变量如下：

1)SIGIN，std_logic输入；

2)CLK_1M，std_logic工作时钟50 MHz；

3)SIGOUT，std_logic输出信号。

图8还要考虑最小脉宽的选择，一般最小脉冲宽度不小于死区，并通过IGBT的热损耗仿真等确定最小脉冲为20 μs。为了提高精度，死区的检测周期为SIGCOUNTER2=1 500，即30 μs处理一次死区，这样经过死区处理后的脉冲最小为10 μs。经过死区处理后，仍有可能产生小于20 μs的脉冲。因此，还要做20 μs的最小脉冲滤波处理。

2.4故障处理软件设计

FPGA需要对IGBT的故障进行检测，以保证及时的闭锁脉冲处理[7]。故障处理主要分为两类：一类是驱动板卡传输的驱动故障；另一类则是驱动板卡的电源故障，如图9所示。当判定故障后进行封锁脉冲操作；当系统复位有效时，所有故障均要清零。

3 IGBT的驱动板卡硬件设计

对于4.5 kV IGBT，采用了单独的驱动板卡控制单管IGBT。每个IGBT的驱动板卡如图10所示。该图包括光纤接口电路、驱动芯片、门极驱动电路、滤波电路等。

图9 故障处理程序流程图

(a)光纤接口电路

(b)驱动芯片与驱动电路图10 驱动板卡电路图

图10中，光纤接口电路接收FPGA的输入PWM信号。驱动芯片采用concept公司的驱动芯片1SC0450。其中，SO为FPGA的光纤信号转化的输入电平；Vce为IGBT的输出电压检测，其外接有滤波电路；GH与GL为门极驱动电压输出，即±15 V；该芯片会对退饱和、过流等故障进行检测。

4 实验验证

4.1实验电路

按照图11搭建了实验系统，参数如下：直流电压源Vdc=1 kV；设计DSP的中断频率为2 kHz，用于产生50 Hz正弦调制波，幅值0.5；三角载波vtri频率为250 Hz;死区时间设为20 μs；最小脉宽设为20 μs。

图11 SPWM调制实验电路

当直流电压稳定后，对S1/S2管的死区、互补脉冲进行测试，并测试交流侧输出的SPWM电压。最后，利用泰克示波器汇总实验波形。

4.2实验结果

图12 FPGA中的调制波与三角载波信号

采用DA数模转换电路，将FPGA的数字量信号转化为电压信号，输出到示波器。其中，1 V代表数字量的幅值为1。

图12中，单极性调制的正弦调制波与正半周的三角载波进行比较，根据比较结果产生PWM脉冲信号。由于三角载波的频率高于正弦波，正半周共产生5次相交。

图13中，由于S1、S2两管互补，因此Vge1、Vge2应在±15 V之间互补切换，并设置死区20 μs。由于外围驱动电路、杂散电感的影响，IGBT的开通时间比技术手册中的时间长，约为4 μs；关断过程也较长，约为16 μs。可见，脉冲的死区时间约为a、b间隔20 μs，能够满足开通、关断技术要求。

图13 加入死区的S1、S2门极驱动电压波形

图14 交流侧输出的SPWM脉冲电压

图14为全桥电路输出的SPWM脉冲电压。可见，连续开关动作时，单极性调制的脉冲Vab与正弦调制波vc的变化趋势基本一致。由于三角载波的频率较低，在每个正弦波的半周共对应5个脉冲高电平。该输出脉冲的正负电平切换平滑，且无20 μs之下的窄脉冲，满足中压IGBT的性能要求。

5 结 语

针对中压驱动系统的IGBT技术特性，设计了一种新型SPWM调制系统方案。对各厂家的中压IGBT

参数特性进行了对比，指出其对死区、开关频率要求较为严格。采用FPGA设计PWM信号算法，具有实时性高、软件设计灵活的优点。自主设计了IGBT的驱动板卡，驱动芯片采用了concept产品，其综合性能较为理想。所设计的SPWM调制系统可广泛应用于机电驱动、发电、自动化等领域。

[1] 陈根，王勇，蔡旭. 兆瓦级中压风电变流器的新型串联混合三电平NPC拓扑[J]. 中国电机工程学报，2013，33(9)：48-54.

[2] 王海霞，曾成，伍萍辉. 基于FPGA的高频整流SPWM波形发生器[J]. 电测与仪表，2013，50(1)：94-97.

[3] 曹阳，凌志斌，马勤冬，等. 基于FPGA的载波移相PWM发生器设计[J]. 电气传动，2014，44(7)：19-23.

[4] 窦亚力，乔海强，钱帆，等. 基于OMAPL138+FPGA的多路PWM发生器设计及应用[J]. 电测与仪表，2016，53(14)：124-128.

[5] 李宁，王跃，王兆安. 基于双调制波的三电平 NPC 变流器载波调制策略[J]. 电网技术，2014，38(3)：707-714.

[6] 黄伟煌，胡书举，许洪华. 中点钳位型中压三电平风电变流器的损耗分析[J]. 电力系统自动化，2014，38(15)：65-70.

[7] 刘建平，侯凯，李伟邦，等. 串联IGBT保护模块设计和故障诊断分析[J]. 电气传动，2015，45(10)：76-80.

Sinusoidal pulse width modulation (SPWM) technology of medium-voltage mechanical and electrical drive system is complex, and it needs considering the factors such as dead zone, narrow pulse filter. A new modulation system scheme is proposed. The FPGA is used to design the pulse generation program. The state machine cycle algorithm is also proposed to generate triangular carrier and impulse signal, and the edge of the modulation wave is optimized. At the same time, the driver board of 4.5 kV IGBT is designed, which contains the drive chip, drive circuit and filter circuit. Experimental tests show that the dead zone and pulse width of the proposed modulation system meet the performance index of medium-voltage IGBT.

sinusoidal pulse width modulation; dead zone; narrow pulse; drive circuit

TH39

：A

：1003-6954(2017)04-0082-05

2017-02-20)

王 鹏(1985)，助理工程师，研究方向为风力发电机组工艺设计与开发； 时春雨(1983)，助理工程师，研究方向为风力发电机组工艺设计与开发。