基于DSP+FPGA控制架構的矩陣變換器設計

蔡巍，張曉鋒，喬鳴忠，何必，朱鵬，陳雷

(1. 海軍潛艇學院，青島 266042；2. 海軍工程大學，武漢 430033；3. 中船重工704研究所, 上海 200001；4. 92196部隊，青島 266000)

0 引言

矩陣變換器(matrix converter，MC)具有功率密度高、功率因數可調，輸入輸出特性好等諸多優點，在船舶電力推進，風力發電等方面得到廣泛的應用[1-5]，但由于其開關器件多，換流策略復雜，因此傳統的單MCU結構無法滿足控制要求。針對這一問題，本文提出了DSP+FPGA的雙處理器架構，充分利用了前者運算快與后者資源多的優點，并基于此設計了一臺5 kW直接型矩陣變換器的原理樣機。

1 原理樣機構成

矩陣變換器5 kW原理樣機構成如圖1所示。電網通過自耦變壓器送入主電路，系統在DSP+FPGA雙處理器控制下，不斷產生脈沖信號。控制雙向開關的導通與關斷，從而得到所需要的電壓輸出，保護電路與檢測電路則負責系統的安全運行與實時監測。

1.1 功能電路組成

由圖1可以看到，矩陣變換器主要由主電路、保護電路、檢測電路與控制電路組成。

主電路由輸入濾波器和開關矩陣電路組成，是系統功率流動的主要環節；功能保護電路主要由箝位電路和采樣保護電路組成，為系統吸收過電壓，快速反應故障情況，維護安全運行提供了保障；檢測電路主要是向控制電路提供矩陣變換器運行所需的各種信息，為雙向開關導通與關斷的時間計算提供依據，并同時對系統進行監測保護，該保護優先級較電路級低，但是控制靈活，易于先期調試，控制系統是整個原理樣機的核心，它由DSP和FPGA雙處理器組成：DSP計算能力強，特別是TI公司新推出的F28335浮點處理器，其對于浮點的支持使得系統的實時控制能力大幅提高，FPGA選用 Altera公司 Cyclone II系列EP2C8T144C8，該芯片內部資源豐富，邏輯處理能力強，完全可以滿足矩陣變換器復雜的調制與換流運算。

1.2 雙向開關的選擇

雙向開關構成的開關矩陣電路是主電路工作的核心部件，目前成熟的雙向全控器件尚未出現，而逆阻型IGBT（RB-IGBT）反并聯構成的雙向開關，價格昂貴且不易購買。因此本裝置采用分立IGBT元件構成雙向開關。

雙向開關構成主要是基于共集電極或共發射極串聯的雙IGBT，兩種方式各有優劣，很多文獻對此進行了介紹[6]。考慮到本裝置功率較大，主電路三相輸出采用三個模塊分布散熱，如果選擇共集電極方式，門極驅動電路將跨越三個模塊，造成連線復雜，因此選用共發射極雙向開關，整個開關矩陣由18個IGBT單管組成，由9路門極驅動電路隔離電源驅動。

1.3 驅動電路與輔助電源

IGBT是一種電壓型驅動功率管，需要的驅動功率小，因此本樣機設計僅需采用光耦HCPL3120對其進行隔離輸出即可構成門極驅動電路，見圖 3(a)。其中為避免密勒效應造成的誤導通，采用齊納二極管由單路電源得到正負電源。

為簡化設計，提高功率密度，本方案利用TOPswitch芯片設計了9路獨立的單端反激開關電源，大大減小了驅動電源的體積，如圖3(b)所示；為提高系統可靠性，控制系統采用開關電源獨立供電。

2 控制系統設計

控制系統是矩陣變換器的核心部分，負責電壓電流信號的采集、開關管導通時間的計算、脈沖信號的產生、換流邏輯的控制與系統的監測保護等等。

2.1 DSP程序流程

本文設計的控制器中，DSP主要完成占空比時間的計算。根據接收到的上位機指令，結合輸入輸出區間信息，可計算各開關管導通時間，并將其送入FPGA產生脈沖信號。

2.2 FPGA程序流程

矩陣變換器中，涉及到采樣、換流、調制信號生成等部分，如果采用DSP的流水線型程序結構，將大大耗費系統時間；而采用FPGA，各個模塊并聯執行，可以有效的減小運行時間，提高系統效率。

2.2.1 采樣系統

控制系統的采樣精度對于系統有著至關重要的影響。該樣機中，我們主要針對輸入線電壓、輸入相電流、輸出相電流和箝位直流電壓進行檢測與監控，在滿足系統運行性能的同時，保證系統的安全性。為了減小控制板走線的復雜度，提高信號完整性，本文選擇基于SPI總線結構的串行。

3 樣機實驗

圖6為本文搭建的5 kW矩陣變換器原理樣機實驗平臺。

采樣芯片ADS8361，利用FPGA對其進行控制。圖4(a)為采用modelsim對本系統的時序仿真圖，圖4(b)為控制板采樣實測波形。從圖中看出，設計的電路足以滿足系統需求。

2.2.2 脈沖信號生成

FPGA接收DSP發出的占空比時間信號，并送入其內部產生的三角載波進行比較；樣機中采用電壓型兩步換流策略，根據輸入電壓區間位置，生成相應的脈沖信號。圖5為實測的SCb、SCc順管逆管四路驅動信號。

在此平臺上，我們采用矩陣變換器載波調制算法對樣機進行了滿功率實驗，如圖7所示。輸入線電壓為380 V/50 Hz，調制比0.5，負載電感13 mH，負載電阻9Ω。由實驗結果來看，系統運行穩定，無故障情況，證明了樣機設計的可靠性。

4 結論

本文主要針對一臺5 kW的矩陣變換器原理樣機進行了介紹，包括其功能電路組成、雙向開關選擇、IGBT驅動與輔助電源設計等。該系統采用DSP+FPGA的雙控制器結構，其中DSP主要負責占空比時間的計算，而FPGA則發揮其資源多，邏輯運算快的優勢，內部集成了采樣電路、脈沖發生電路與保護電路。在該樣機上完成了滿功率實驗，實驗結果表明了系統的可靠性。

:

[1]DeLillo L, Empringham L, Schulz M, et al. A high power density SiC-JFET-based matrix converter [C].14th European Conference on Power Electronics and Applications, Birmingham, United kingdom, 2011.

[2]Yamamoto E, Hara H, Uchino T, et al. Development of MCs and its applications in industry [J]. IEEE Industrial Electronics Magazine, 2011, 5(1): 4-12.

[3]Barakati S, Kazerani M, Aplevich J. Maximum power tracking control for a wind turbine system including a matrix converter [J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2009, 24(3): 705-713.

[4]Bucknall R, Ciaramella K. On the conceptual design and performance of a matrix converter for marine electric propulsion[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2010, 25(6): 1497-1508.

[5]涂方明, 厲孟. 矩陣變換器的研究現狀和發展方向[J]. 船電技術, 2009, 29(8): 32-35.

[6]Wheeler P W, Clare J. Matrix converters[J].Power Engineering Journal, 2002, 12(4): 273-282.