基于FPGA的AC-AC諧振變換器實現*

唐春森，周繼昆，戴欣，王智慧，孫躍

（重慶大學自動化學院，重慶400044）

非接觸電能傳輸技術或者感應電能傳輸技術，通過采用電磁耦合的方式可實現電能跨越空氣氣隙的無接觸傳遞[1]。在軌道交通[2]、機器人、單軌行車、消費電子產品、人體內置醫療設備等領域有著廣泛的應用前景，已經成為電力電子領域的研究熱點[3-4]。

非接觸電能傳輸系統的核心環節就是高頻交變磁場的產生，目前普遍采用的方法是利用軟開關諧振變換器將輸入低頻交流電（或者直流電）轉換為高頻交流電，所使用的電路拓撲主要為AC-DC-AC或是DC-AC拓撲[5]。對工頻交流輸入的場合，傳統AC-DC-AC拓撲存在電路復雜、效率低、成本高等缺點。為此，人們提出了一種新型的AC-AC變換拓撲來實現從低頻交流到高頻交流的直接變換[6]。這種新型的變換拓撲基于一種能量注入控制方法，當輸出電流幅值高于設定值時，可使諧振回路的能量自由振蕩或者回饋到電網；當輸出電流幅值低于設定值時，向諧振回路注入能量。具有電路拓撲簡單、可靠性高、轉換效率高、低EMI等優點，在非接觸電能傳輸系統及感應加熱電源系統中有著很好的應用前景。

為了實現新型AC-AC變換拓撲所有開關器件的軟開關控制及輸出電流的幅值控制，本文基于FPGA控制平臺設計了系統的實時幅值控制器，分析了系統的控制要求，設計了控制器硬件及軟件，并進行了實驗驗證。

1 AC-AC電路工作原理分析

圖1 AC-AC諧振變換器電路拓撲

能量注入式AC-AC諧振變換器的拓撲結構如圖1所示。整個電路由4個MOSFET開關管S1、S2、S3、S4，反并聯二極管D1、D2、D3、D4及RLC的串聯諧振網絡組成。S1、S2及反并聯二極管組成的雙向開關用于諧振網絡的能量注入及能量回饋；而S3、S4及反并聯二極管組成的雙向開關則用于控制諧振網絡內能量的雙向流動。

根據輸入交流電VAC的不同極性，電路有著互相對稱的兩個半周期運行模式，即正半周和負半周模式。在每個半周期內，根據諧振電流的不同，電路均存在三種工作模態：能量注入、自由諧振及能量回饋。本文只討論輸入電壓正半周時系統的工作模式，負半周時可以對稱的形式得到。(1)能量注入模態：該模態中S1、D2導通，其余開關管及二極管關斷，能量正向注入諧振回路，諧振電流幅值增大。(2)自由諧振模態：諧振電流正向時，D3、S4導通；諧振電流反向時，S3、D4導通，諧振回路在無能量注入的情況下自由振蕩，諧振電流幅值逐漸減小。(3)能量回饋模態：諧振電流反向時，S2、D1導通，諧振回路向電源回饋能量，諧振電流幅值快速減小。

2 控制系統結構設計及電流峰值控制策略

為了實現系統輸出諧振電流幅值近似恒定，同時保證系統運行在零電流（ZCS）軟開關模式，基于FPGA芯片設計系統的反饋控制結構框圖如圖2所示。系統為雙閉環控制結構，內環檢測諧振電流的過零信號，用以實現ZCS軟開關工作模式；外環采用誤差比較器將反饋信號與參考電流值進行比較，以確定輸出電流幅值是否在誤差范圍內，從而根據50 Hz交流信號的極性及誤差比較信息判斷系統的工作模態，以穩定輸出諧振電流幅值。

圖2 AC-AC諧振變換器系統框圖

根據上述控制系統結構，結合系統的工作模式，設計系統的峰值控制策略如表1所示。

表1 開關控制邏輯

3 FPGA控制電路板設計

基于Altera公司的EP2C5T144C8型FPGA芯片，根據圖2所示的系統框圖設計系統控制板。控制器有三路輸入，即50 Hz交流電源過零信號、諧振電流過零信號及參考電流與檢測反饋電流值比較的誤差信號。控制器根據這三路輸入信號進行相應的運算后，在諧振電流過零點輸出控制信號，控制4個MOSFET的工作狀態，實現對諧振電流峰值的幅值控制。

考慮到誤差比較信號需要能夠比較出電流正向和反向兩種情況，采用高速比較器LM319將輸入電流檢測信號與正向參考和負向參考分別比較，產生正向峰值和負向峰值檢測信號。結合另外兩路過零比較信號，系統的過零檢測及誤差比較電路如圖3所示。

圖3 過零檢測及誤差比較電路

為了盡量減小控制延遲并提高系統的抗干擾能力，在隔離驅動電路模塊中采用了高速光耦隔離器件6N137，同時配合三極管組成的推挽電路提高驅動能力。

過零檢測與誤差比較電路的輸出信號以及隔離驅動電路的輸入信號分別與FPGA控制器的I/O引腳相接，FPGA根據表1的開關控制邏輯實時控制系統的工作模式，實現輸出電流的近似恒幅值控制。

4 算法流程設計

根據電流峰值控制策略，系統的控制算法流程設計如下：

(1)檢測上半周期諧振電流峰值是否大于參考值，如果大于參考值，轉流程(6)；

(2)檢測本半個周期的諧振電流的方向；

(3)檢測50 Hz低頻信號方向是否與諧振電流方向一致，如不一致，轉流程(5)；

(4)系統切換到能量注入工作模態，轉流程(1)；

(5)系統切換到自由振蕩工作模態，轉流程(1)；

(6)檢測本半個周期的諧振電流的方向；

(7)檢測50 Hz低頻信號方向是否與諧振電流方向一致，如不一致，轉流程(9)；

(8)系統切換到自由振蕩工作模態，轉流程(1)；

(9)系統切換到能量回饋工作模態，轉流程(1)。

5 實驗測試

根據算法流程設計，搭建了系統實驗電路進行測試。實驗中，參考電流設置為5 A，系統輸入電壓為80 V/50 Hz，在空載和10 W負載時輸入電壓波形及諧振電流波形分別如圖4(a)、圖4(b)所示。圖中上方通道為50 Hz交流電壓波形，下方通道為諧振電流波形。

圖4 系統輸入輸出實驗波形

由圖4可以看出，基于FPGA的諧振電流在拾取端負載變化時，可以有效地保持初級回路諧振電流峰值在設定值附近波動。在輸入交流過零點附近，由于輸入電壓過低，注入系統的能量不足以維持諧振電流的幅值恒定，因此會出現明顯的凹陷。另外由于該變換器工作于軟開關諧振狀態，因此控制動作只發生在諧振電流過零時刻，能量注入具有典型的離散性。這使得空載或者輕載時，注入能量的頻率過低，導致輸出諧振電流幅值存在較大的紋波，如圖5（a）的空載諧振電流局部放大波形所示。但隨負載功率增大，注入能量的頻率提高，諧振電流的幅值也就越趨平穩，如圖5（b）的10 W負載諧振電流局部放大波形所示。

圖5 輸出諧振電流局部放大波形

本文研究了一種能實現從低頻到高頻直接變換的AC-AC諧振變換器的恒幅控制策略及其FPGA實現。借助FPGA芯片強大的邏輯運算能力、高速以及靈活配置特性，有效地實現了系統在工頻交流輸入到20 kHz恒幅交流輸出的直接變換。系統具有電路簡單、開關損耗低、變換效率高、動態性能好等優點。但是由于輸入電壓過零點附近注入能量嚴重不足，導致輸出電流幅值有明顯的凹陷，但并不影響這種變換器在非接觸電能傳輸系統中的應用。

[1]TANG C S，SUN Y，SU Y G，et al.Determining multiple steady-state ZCS operating points of a switch-mode contactless power transfer system[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2009，24(1-2)：416-425.

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[3]周雯琪，馬皓，何湘寧.感應耦合電能傳輸系統不同補償拓撲的研究[J].電工技術學報，2009，24(1)：133-139.

[4]楊民生，王耀南，歐陽紅林.新型恒定一次側電流無接觸電能傳輸系統的建模與優化(英文)[J].中國電機工程學報，2009，29(4)：34-40.

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[6]LI L H，HU A P，GAO J F，et al.Development of a direct AC-AC converter based on a DSPACE platform[C].Chongqing，China：2006.