基于CPLD的脈沖密度功率調節高頻逆變電源

0 引 言
??? 目前，高頻感應加熱電源的輸出功率調整主要是通過改變逆變器的輸出頻率或改變逆變器的輸入直流電壓方式來實現的。改變逆變器的輸出頻率實現輸出功率的調節是目前普遍采用的一種功率調節方式，其缺點是逆變器的負載為感性，特別是在輕載時，逆變器的輸出功率因數很低，開關損耗大。通過控制逆變器實現功率控制就能改變這一缺點。脈沖密度調制(Pulse Density Modulated，PDM)DC／AC逆變器是利用串聯諧振負載的儲能，對逆變器的開關采用脈沖群控制的方式，在一個周期內通過控制連續開通脈沖信號和連續關斷脈沖信號的比例(占空比)來控制輸出功率。傳統的PDM實現方式是用許多計數器以及一些PWM專用芯片來實現的，這種方法穩定成熟，但控制電路復雜。在此提出了一種用CPLD來實現脈沖均勻調制的方法。這種方法簡單易行，開發周期短，電路簡單，體積小，頻率跟蹤范圍寬，開關管可工作在零電流關斷(ZCS)和零電壓開通(ZVS)狀態。

1 電路結構
??? 圖1為脈沖均勻控制串聯諧振逆變電源的主電路圖，它包括三相不可控整流電路、濾波電路、逆變電路和串聯諧振電路。

??? 圖1中：C1，L1為濾波電容和濾波電感；L0為負載；D1，D2，D3，D4分別為反并聯快速二極管；T1，T2分別為電流互感器；R2，R3分別為分壓電阻；VT1，VT2，VT3，VT4分別為開關管IGBT；C2為隔直電容，T0為負載匹配變壓器。
??? 圖2為整個控制系統框圖，以CPLD作為主控芯片，包括頻率跟蹤電路，驅動電路，檢測電路，以及顯示部分。

??? 三相電源經過整流電路輸出直流電壓，該直流電壓經過濾波后輸入到逆變器，逆變器實現DC／AC變換，生成的交流電經變壓器輸出給負載。逆變器的開關管由CPLD組成的控制電路進行控制。主要的控制過程如下：VT1，VT4同時導通，電流正向通過負載；VT2，VT3同時導通，電流反向通過負載，實現直流變交流。為了使逆變成功，必須保證上下橋臂的開關管不能同時導通，否則逆變失敗，所以在設計開關控制信號時必須加入死區。

2 脈沖密度控制功率原理
??? 密度調節功率控制的基本思路是假設總共有N個調功單位，在其中M個調功單位里逆變器向負載輸出功率，而剩下的(N-M)個單位內逆變器停止工作，負載能量以自然振蕩形式逐漸衰減，輸出的脈沖密度為(M／N)％。輸出功率的調節是通過控制圖3中的IG-BT使VT1，VT4與VT2，VT3交替工作實現的。其原理如下：
??? 把開關管VT1和VT3的控制信號看作是n個1／2i(i=1，2，…，n)分頻器相加而成，即一個控制周期內有2n個控制脈沖。當開關管完全工作時，即功率最大時為2n／2n，去掉1個脈沖，剩下2n-1個脈沖時，功率值為(2n-1)／2n；去掉m(m<2n)個脈沖剩下(2n-m)脈沖時，功率值為(2n-m)／2n；在沒有脈沖，即m=2n時開關管完全關斷，即功率最小時為0。控制這n個分頻器的組合就可以控制逆變器的輸出功率。
??? 該設計采用4個分頻器，即n=4。包括2分頻器、4分頻器、8分頻器、16分頻器，通過他們的不同組合得到16個不同的功率值，如表1所示。其中，0表示關，1表示開。全關時功率值為0，全開時為1。其余組合對應的功率值如表1所示。

??? 圖4給出功率值為1／16，2／16，4／16，8／16時的控制信號圖，同時也是16分頻、8分頻、4分頻、2分頻原理圖，不同功率值時VT2，VT4的控制信號相同。電路工作狀態簡要說明，如圖4所示。

當VT1，VT4導通，VT2，VT3關斷時，負載諧振電流為正，負載諧振電流經VT1，R1，L2，C2，VT4由a流向b，等效電路如圖4(a)所示，由U供電。
??? 當VT1，V T4關斷，VT2，VT3導通時，負載諧振電流為負，負載諧振電流經VT2，C2，L2，R1，VT3由b流向a，等效電路如圖4(b)所示，由U供電。
??? 當VT1，VT2，VT3關斷，VT4導通時，負載諧振電流為正，負載諧振電流經R1，L2，C2，VT4由a流向b，等效電路，如圖4(c)所示，通過D3續流。
??? 當VT1，VT3，VT4關斷，VT2導通時，負載諧振電流為負，負載諧振電流經電流經VT2，C2，L2，R1由b流向a，等效電路如圖4(d)所示，通過D1續流。

3 脈沖密度控制策略的CPLD實現
??? 以Altera MAXⅡ EPM1270芯片為平臺，它包括1 270個LE，相當于40 000門數，8 kB的用戶可用FLASH，116個I／O口。采用QuartusⅡ5．1進行編程下載仿真。
??? 圖5給出了CPLD脈沖密度控制的邏輯模塊框圖。其中，主要包括脈沖信號分配控制模塊、脈沖分配模塊、脈寬計算和死區時間設置模塊以及PWM脈寬控制模塊等。

??? 脈沖分配模塊根據功率給定值對脈沖分配模塊進行控制，脈沖分配模塊由2，4，8，16四個分頻器組成。它根據脈沖分配控制模塊的信號對分頻器進行組合，脈寬計算和死區時間設置模塊根據輸入電流信號計算其脈寬，并控制PWM輸出模塊控制脈寬并進行死區設置。

4 仿真與試驗
??? 下面給出CPLD實現脈沖密度功率控制的部分仿真圖和試驗圖。仿真圖中，信號從上到下分別是：使能信號、電流輸入信號Iin、功率給定PWM1，PWM2，PWM3，PWM4控制信號，分別控制VT1，VT4，VT3，VT2。圖6給出了以QuartusⅡ5．1為軟件環境，功率值為8／16和16／16時的仿真圖。圖7是對應的下載到Altera MAXⅡEPM1270芯片的部分試驗波形圖。

??? 圖8給出了輸入電源三相220 V(相電壓)，頻率50 Hz，輸出功率P=1 kw，諧振頻率f=100 kHz，負載等效電感L2=26μH，負載等效電阻R1=6．5 Ω的部分實驗結果圖。兩波形圖坐標值相同，方波為電壓，正弦波為電流。

5 結 語
??? 在此提出的采用CPLD實現脈沖均勻調制功率控制逆變器的策略，CPLD承擔PWM生成，密度調節以及死區時間控制的任務，通過電流的反饋，實現頻率的跟蹤，使逆變器始終工作在諧振狀態，提高工作效率，減少損耗。仿真與試驗結果表明了該方案的可行性。該方案具有可靠性高，能有效減少控制板的體積，電路簡單，易于實現高頻化的優點。