基于H桥级联型多电平逆变器的FPGA应用研究

周 悦，王江涛

（上海电气集团输配电分公司，上海200420）

1 H桥级联多电平逆变器拓扑概述

在大功率高频高压领域，受开关器件耐压值的限制，传统电力电子拓扑结构无法实现高压大功率输出，多电平变换器的思想由此提出。多电平逆变器的电路拓扑归纳起来主要有三种［1］：二极管箝位型、飞跃电容型以及级联多电平型结构。其中，级联型多电平逆变器无需大量箝位二极管和箝位电容，开关逻辑也不会随着电平数的增加而越来越复杂，应用较为广泛。H桥串联结构是常见的级联多电平逆变器拓扑（如图1），将若干个H桥逆变单元逐级串联起来构成主逆变器的各相桥臂，单元的电压等级和串联数量决定了主逆变器的输出电压。一般由N个H桥逆变单元串联的单相支路可以产生（2 N＋1）个开关电平，因而可以使得输出电压波形具有较小的谐波和较小的电压变化率。

级联多电平拓扑增加了电力电子器件的数目，控制难度增大。现有的专用控制芯片如TI公司的DSP，其中的PWM发生模块数量有限，无法简单扩展，同时调制策略、信号检测与数据通信会占用DSP大量资源，影响控制周期进而影响控制精度。本文为H桥逆变单元设计了基于现场可编程门阵列芯片（FPGA）的通用控制系统。FPGA具有高速运算和并行处理的优势，包含大量可任意配置的寄存器和I／O口，开发灵活。因此，本文将级联多电平逆变器控制系统中的调制策略、信号检测以及故障报警等功能分配到FPGA上实现，DSP仅负责控制策略和系统运行流程，简化了级联逆变单元的统一调度，提高了系统的控制精度。

图1 H桥级联多电平逆变器拓扑（N＝3）

2 总体设计

图2为H桥级联多电平逆变器的控制系统示意框图，该控制系统由核心算法板和H桥逆变单元控制板构成。核心算法板选用德州仪器公司的高性能32位浮点数DSP芯片TMS320F28335作为中央处理器负责逆变器的控制策略，选用Altera公司的Cyclone II系列FPGA芯片EP1C6Q240C8负责与DSP以及各个H桥逆变单元控制板通信，实现所有级联单元的统一调度。逆变单元控制板主要由一片FPGA芯片EP1C6Q240C8、数模转换（ADC）芯片与一组光纤接口组成，其中FPGA负责PWM驱动脉冲生成，IGBT的故障保护，双向光纤通信以及ADC控制等功能。

核心算法板上的DSP根据控制策略进行计算，计算后向同一板上的FPGA输出调制信号，该FPGA通过光纤与逆变单元控制板上的FPGA进行数据通信，从而实时控制每个H桥逆变单元的输出，同时获得逆变单元的状态信息，如直流母线电压和IGBT温度与故障信息等，实现了低压控制系统与高压执行机构之间的隔离，增强了控制系统运行的稳定性和可靠性。

由于每一块H桥逆变单元控制板所需实现的功能是相同的，因此其中的FPGA采用完全相同的程序，使得逆变单元及其控制板与驱动电路得以模块化，在简化了软件设计的同时也方便了逆变单元的级联连接、调试与更换。核心算法板上的FPGA会根据光纤接口的不同，向H桥逆变单元控制板发送相应的控制信号，用以区分在级联多电平逆变器中处于不同位置的逆变单元。

图2 H桥级联多电平逆变器控制系统框图

3 光纤通信设计

光纤传输速率高、损耗低，不受电磁干扰，并且重量轻，很适合作为高频高压设备中的传输介质。本文设计了基于FPGA的数字化光纤传输方案，在标准的异步串行通信方式上稍加修改，自定义了一个双向异步串行通信协议，数据帧格式如表1所示。

表1 数据帧格式

协议数据帧的第一位是起始位，没有数据传送时处于逻辑“1”状态，当发送端要发送一帧数据时，首先发出一位逻辑“0”信号，这个逻辑低电平就是起始位。起始位通过光纤传送到接收端，接收端检测到这个逻辑低电平后就开始准备接收有效数据。起始位的作用就是表示有效数据传送开始。当接收端收到起始位后，紧接着就会收到3个16 bits的有效数据，每个数据均是从低位开始传输。有效数据发送完之后发送一位奇偶校验位，用于有限差错检测，发送端和接收端需约定一致的奇偶校验方式。奇校验位之后是停止位。停止位是一位逻辑“l”，它是一帧数据传送结束的标志。由于接收端只能根据计算数据线空闲时间来寻找有效数据帧的起始位，因此空闲位必须大于数据位之和，此处设计为60 bits。

光纤收发器的价格通常与其传输速率成正比，而级联多电平逆变器系统中光纤通信速率必须高于单个H桥逆变单元的开关频率，才能确保逆变单元及时更新调制波信号，若使用自然采样法产生PWM脉冲，则光纤通信速率应几十倍于开关频率。综合考虑成本因素与数据传输速率要求，本文选用了传输速率为5 Mbps的光纤接收器HFBR－2521与光纤发送器HFBR－1521。

数据帧发送程序较容易实现，只需设计一个由5 M的时钟驱动的两段式状态机。两段均采用同步时序的always模块，做到了同步寄存器的输出，消除了组合逻辑输出的不稳定与毛刺的隐患，而且更利于时序路径分组，一般来说在FPGA上的综合与布局布线效果更佳。其中第一段程序根据表1中的数据帧格式判断状态跳转条件是否成立，并由此更新当前输出状态，第二段程序根据当前输出状态发送相应数据位。

数据帧接收程序相对复杂，光纤传输几乎不受电磁干扰，因此接收端无需对接收到的数据进行滤波，但是光纤收发电路会带来固有的几十纳秒的边沿延时，给接收端的解码带来困难。因此接收端收到的数据首先需要经过一个信号整形模块，用以补偿光纤收发电路带来的边沿延时。接着通过对空闲位计数来寻找有效数据帧，当空闲位计数超过50即可认为有效数据帧即将到来，此时接收到的第一个逻辑“0”信号便是有效数据帧的起始位，之后按照5M的波特率依次接收数据位。在此过程中为减少误码，通常使用“过采样”的方法，即接收端使用几倍于波特率的采样时钟对接收到的信号进行采样。

4 载波移相SPWM脉冲的生成

应用于级联多电平逆变器中的PWM控制方法有：阶梯波调制法［2］、消除谐波法［3］、开关频率优化法［4］、三角载波移相法［5］等。本文选用了三角载波移相法，该方法的特点是所有逆变单元模块的调制波相同，但每个模块的三角载波与其相邻模块的载波之间存在一个相移，使得各模块所产生的SPWM脉冲在相位上错开，从而使各模块最终叠加输出的SPWM波的等效开关频率与级联单元数成正比，在不提高IGBT开关频率的情况下可以有效减小输出谐波。

核心算法板上的DSP将计算出的三相调制波以及当前系统中每一相的级联单元数量发送至同一板上的FPGA。该FPGA根据级联单元数计算出每个逆变单元载波的移相角，最后将调制波与移相角通过光纤分别发送给每个逆变单元控制板上的FPGA。根据载波移相法的特点，移相角的不同已经决定了逆变单元输出电压的不同，因此逆变单元控制板上的FPGA程序无需根据此单元在逆变器中的具体位置来设计，可以使用完全相同的程序。

单个H桥级联逆变单元中采用了单极倍频SPWM调制方式，其原理如图3所示。图3（a）中的调制波与一对互补的三角载波做比较，得到图3（b）、（c）中左右两个桥臂上管的触发脉冲。该调制方式输出波形在调制波的正半周只有正脉冲电压，调制波的负半周只有负脉冲电压，因此是单极性SPWM控制。但是因为载波为双极性，在载波频率相同也就是开关频率相同的情况下，输出电压的脉波数大约为单级SPWM调制的两倍，可以有效减少开关损耗并且改善输出电压波形质量。

图3 单极倍频SPWM调制原理

单极倍频SPWM调制方式的实现主要由三角载波发生模块、比较模块、死区发生模块构成。其中三角载波产生原理如图4所示，是通过一个增减计数器来实现的。计数器的计数初值为该级联单元模块的移相角，首先进行增计数，当计数值达到峰值时，进入减计数，当计数值递减至0，再进入增计数，以此类推。在比较模块中，将调制波数值与三角载波当前值进行比较，如果调制波大于载波，则左桥臂上管触发导通，反之封锁。将载波计数峰值减去三角载波当前值得到互补的三角载波，再将调制波与互补的三角波进行比较，如果调制波较大，则右桥臂上管触发导通，反之封锁。左、右桥臂下管的触发脉冲可以分别由左、右桥臂上管的触发脉冲取反得到，但是必须加上死区时间。死区发生模块的基本原理是，当触发脉冲由“0”向“1”跳变，即对应开关管的状态应该由封锁转为触通时，将原先的封锁状态维持4～6μs，从而产生死区。

图4 三角载波产生原理

5 模数转换芯片控制

模数转换芯片种类繁多，本文使用了TI公司的6通道16位ADC芯片AD7656，该芯片工作时序如图5所示。图中CONVST A，B，C为转换起始信号、CS为片选信号、RD为读数据信号，BUSY为转换状态反馈信号。每个采样周期内，FPGA将AD7656的CONVST A，B，C管脚全部置高，6个通道同时开始转换，当FPGA接收到BUSY的下降沿，表示转换已经完成，此时将CS和RD依次置低，在16位数据线上可以顺序读到6路通道的采样值。

图5 AD7656并行接口时序图

6 试验结果

在验证实验平台中，将本文设计的控制系统应用于三相三单元，H桥级联逆变电路中，每个H桥单元分别由独立的不控整流产生的100 V直流电源供电，单相电压输出通过三个H桥逆变单元串联得到。每个H桥单元的三角载波频率为2.5 kHz，单极倍频后可达到约5 kHz。

图6和图7分别是该电路相电压在滤波器输入侧和输出侧的电压波形。图6中可以清楚看到三个H桥逆变单元串联输出电压波形呈现出9个开关电平，与正弦波非常近似。

图6 级联数N＝3的滤波前三相输出波形

图7 级联数N＝3的滤波后三相输出波

7 结束语

本文提出的基于FPGA的H桥级联多电平逆变器通用控制系统，将调制策略、信号检测与数据通信分配到FPGA中实现，系统动态响应快，计算精度高，通讯抗干扰能力强，试验结果验证了该控制系统的可行性。由于该系统中的H桥逆变单元及其控制器采用了模块化设计，易于移植与扩展，只需改变DSP中的控制策略就可以将该控制系统运用至不同电压等级的动态电压恢复器、高压变频器等设备中。