【一种新型多电平逆变门信号发生器的设计】 信号发生器输出cmos电平
时间：2020-03-07 09:55:49 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘 要： 早期的实现5级MSMI的在线PWM（脉宽调制）开关的开发，是用DSP控制器，任务仅能在采样时间的100μs内完成，提出基于FPGA的多电平逆变门信号发生器，采用一个在线最佳PWM（脉宽调制）开关来控制其输出电压，减轻用DSP实现门信号产生中消耗时间的计算任务，产生门信号的取样时间被减为，详细介绍以FPGA为基础的门信号发生器的设计和开发，最后给出用MAX+PLUSII软件进行实时仿真的结果，并用FLEX10K20（Altera公司的FPGA器件）对结果加以验证。
关键词： FPGA；DSP；最佳PWM；多级逆变
中图分类号：TP302 中图分类号：TD175.5 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）1210053－02
0 引言
多电平逆变器的研究最初是在70年代末，但并没有得到实际应用[1]。1981年，出现了中点箝位式逆变器。90年代早期，随着电路拓扑结构及调制方法的多样化，对于多电平结构的研究又复兴起来。多电平逆变器的基本拓扑结构可以分为三类：二极管�位型多电平逆变器（Diode-Clamped Multilevel Inverter）；鳞状细胞型多电平逆变器（Imbricate Cells Multilevel Inverter）和积木结构型多电平逆变器（Modular Structured Multilevel Inverter）。
早期的实现5级MSMI的在线PWM（脉宽调制）开关的开发，是用DS1102控制器来实现实时计算最佳PWM开关角度的任务，就如同为每个MSMI电源装置产生门信号一样。然而，运用DS1102控制器，任务仅能在采样时间的100μs内完成，即对应于1.8°的开关角度。
一个宽的采样间隔受DSP产生的门信号时间偏离的影响，这个时间是从实际最优PWM开关角度偏离出来的，而角度由其衍生的使用功能计算得到。本文提出把基于FPGA的门信号发生器与DSP结合，以减轻用DSP实现门信号产生中消耗时间的计算任务。因此，为MSMI功率器件产生门信号的整体采样时间，可进一步减少，以达到更好地定时精度。下面将在描述MSMI 控制系统和基于FPGA的门信号发生器的开发细节之后，给出该MSMI电路拓扑结构的描述。从时序仿真中得到的实验结果，与FPGA的输出进行比较。最后，在所做工作的基础上得出结论。
1 积木结构型多电平逆变器（MSMI）
一般来说，由 或 个单相H桥逆变器组成的MSMI称为MSMI模块，即串联连接，以产生一个 级输出相电压。一个单相MSMI的单相结构如图1所示。该MSMI输出相电压等于各个模块输出电压的总和，即：
（1）
图1 单相 级MSMI的结构
每个MSMI模块有自己的直流源（ ）和四个功率器件被指定为
其中r=1，2，…h。每个MSMI模块可产生3级输出，即
伏，0伏和 伏。这使直流源经过4个功率器件按顺序地与交流连接成为可能。举个例子来说，一个输出相电压由5级构成，即
，那么在MSMI中需要的模块数是两个。
众所周知，MSMI可用来消除DCMI所需要的过度大量的�位二极管以及ICMI所需要的电容器。其电路配置更简单和模块化，它的每个模块是完全相同的，并且每个模块合并其输入、输出电路[1]。此外，相对于其他类型的多级逆变器，MSMI要求的组件最少。这些功能使MSMI具有向更多级延伸的灵活性，且不必增加电路的复杂性，像便利包装一样简化了故障发现和修复。
2 MSMI控制系统
图2显示该MSMI控制系统的方框图。MSMI输出电压基本幅度在每单元（ ）的值表示一个直流电源的输出电压，变化范围是0～10V。这个输出电压对应每个 在0与1之间。DS1102控制板上的DSP芯片，依据
用在线优化PWM开关方法来计算开关角度。然后，FPGA从DSP中接受相关信息，转化为对应值，以产生相应的门信号。
图2 MSMI控制操作系统方框图
图3 DSP实现多级控制设计
在这项工作中，将不会在MSMI电路中测试FPGA输出。只关注门信号发生器的开发。这包括识别供给FPGA的参数的情况，为DSP代码生成修改c程序开发，使DSP的功能只能作为最优PWM开关角度计算器，并设计FPGA，使其在开关角度值的基础上有效的产生门信号。
2.1 DS1102控制器
从表示特定 值的电压信号中，DS1102控制器用能表现每个最佳PWM开关方法的开关角度解决轨迹，计算出开关角度。功能如下面的表达式所示[2]。
（2）
其中，k=1和2， 是在每个 值中，每个MSMI模块输出的基本幅度。功能的实现是基于5级MSMI的多级控制设计[2]，这取决于每个
的值。图3说明在DSP上实现多级控制设计以及实现最优脉宽调制开关角度计算的方法。
2.2 FPGA设计
FPGA由于其设计周期短、费用低、密度高等优点，在电源电路控制方案开发中的应用已得到越来越多的关注。由于FPGA的计算速度高，能确保门信号即时产生的准确性，故选择FPGA作为实现开关方案的硬件。DS1102控制板上输入输出管脚数量有限，不可能直接将开关角度值加给FPGA。因此，在这种情况下，采取的办法是依据 值，用DSP在线计算成组的开关角度，像实例数据一样加以分类。每个实例数据涉及到闸门信号的某些时间值，这些都被预先计算并存贮在FPGA中。换句话说，FPGA从控制器接收的实例数据的基础上[3]，产生门信号。实例数据由为每个 值指定的所有的点数值来决定。在这项工作中，点数值以预定的0.02和25为步长进行计算。
每个MSMI模块的点数固定值可以存储在FPGA内。MSMI第1个单元中电源器件的点数值称为 ，而第2个单元中电源器件的点数值称为
。举例来说，MSMI中单元1的点数值可以用公式（3）来计算，其中
开关角度。
在所有为每个 值而计算的 和 都计算出来之后，实例数据就确定了。这个数字代表着不同的点数值。根据为每个实例数据而由FPGA确定的相关的 和 值，就可以产生门信号。在此基础上的设计方法可用方框图和VHDL语言来描述。然后用MAX+PLUSII软件通过功能和实时仿真加以核实验证。
门信号产生器的顶层方框图如图4所示。模块 和模块
分别代表定时值，而模块 用来产生门信号。
3 结果与分析
自从引入了基于FPGA的门信号发生器，DSP的功能已只限于计算开关角度。产生门信号的取样时间被减为
开关角度是1.044°。这个值表示在计算优化PWM 开关角度和确定模型数目的任务中，可通过数字信号处理器来实现时间采样。实际上，为了产生门信号，FPGA是受这个采样时间制约的。
FLEX10K20产生的门信号显示出与MAX+PLUSII软件从功能和实时仿真上所得结果的一致性。基于混合PWM开关排列[2]，在每个MSMI模块中，任何一对功率器件可在更高的频率上进行脉宽调制，而其他一对则整流在低输出电压的基本频率上。在本研究中，模块1中的S11和S31以及模块2中S12和S32都工作在MSMI输出电压基本频率50赫兹上。而模块1中的S21和S41以及模块2中S22和S42则工作在较高的开关频率上。
4 结论
本文介绍了应用FPGA为MSMI设计一个门信号发生器。此MSMI是基于最佳PWM开关设计的，PWM开关角度计算由DSP器件中的DSl102控制器完成。本文还介绍了运用MAX+PLUSII软件和Altera公司的FLEX10K20完成门信号发生器的设计和应用的方法。由于引入了基于FPGA的门信号发生器，DSP的任务得以减少，从而减少了计算最佳PWM开关角度，并确定作为FPGA输入的相关数据量所需要的采样时间。
参考文献：
[1]C.Newton and M.Sumner[J].Multi-lever Convertors a real solution
To medium/high-voltage drives?Power Engineering Journal,Volume 12,Feb.
1998:21-26.
[2]Azli,N.A.and Yatim,A.H.M[C].A DSP-based online optimal pulse-width modulation(PWM)switching strategies for a modular structured multilevel(MSM)inverter.Signal Processing and its Applications,Sixth International,Symposium on.2001,Volume:2,13-16 Aug.2001:623-626 vol.2.
[3]褚振勇、翁木云，FPGA设计及应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，2002.
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