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摘 要：文章采用EDA技术，在QuartusII软件开发平台中针对FPGA芯片实现交流斩波调压器的PWM控制。利用该方式产生的IGBT驱动信号稳定、可靠，实现方式灵活，且便于调整。
关键词：斩波调压器；IGBT；PWM；Verilog HDL；
中图分类号：TM423 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）05-0040-02
随着电子技术的飞速发展，电子系统的设计理念和设计方法发生了深刻的变化，EDA技术成为现在电子设计技术的有力工具。它将以前“电路设计+硬件焊接+调试”转化为“功能设计+软件模拟+仿真”的模式。利用EDA 开发平台，采用可编程逻辑器件CPLD/FPGA 使得硬件功能可通过软件编程的方式来实现。这种设计方法使设计者大大减轻了电路设计的工作量和难度，增强了设计的灵活性，有效地提高了工作效率。
本文就是利用EDA开发平台，实现基于IGBT器件的交流斩波调压器中PWM波的控制。这种基于IGBT器件和PWM控制的交流调压器，相比于传统的变压器调压和可控硅调压，不仅负载适用面广，同时在很大程度上降低了对电网的污染，大大改善了交流电压调节器的性能，迎合了目前国家提倡的多元化照明和节能减排的要求。
1 交流斩波调压器的控制原理
交流斩波调压电路就是以比输入电源高得多的频率，周期性使电路中的受控开关器件导通和关断，以此来改变开关导通的占空比，从而达到调节输出电压大小的目的。目前比较典型的交流斩波调压电路主要有单管反串联交流斩波式调压电路、双开关交流斩波式调压电路和单管双向开关交流斩波式调压电路等。其中单管反串联交流斩波式调压电路的IGBT采取单管反串联连接方式，使其双向受控器件具有“共地”端，简化了受控器件的驱动电路，使PWM波便于控制。
单管反串联交流斩波式调压电路如图1所示。图中VG1a、VG1b、VD1a和VD1b构成双向斩波开关S1，VG2a、VG2b、VD2a和VD2b构成双向续流开关S2。由于交流斩波调压对象是交流电压，电路对正负半波电压要求均能进行调制，故S1和S2开关器件均为双向开关。其中VG1a、VG1b、VG2a和VG2b由IGBT可控开关器件构成。其主要控制过程为：S1导通，S2关断，电源通过S1开关向负载提供能量；S1关断，S2导通，负载通过S2开关构成续流回路。
电路中的S1，S2在运行过程中必须严格遵守以下两点：任意时刻S1与S2不能同时导通，否则造成电源短路，开关器件过流损坏；任意时刻S1与S2不能同时关断，否则滤波电感电流没有续流回路，产生很高的电压，造成开关管过压损坏。
斩波开关S1和续流开关S2的控制方式，即VG1a～VG2b可控开关的PWM控制方式主要有以下三种：互补控制方式、传统非互补控制方式、带电流检测的非互补控制方式三种。经研究发现：互补调制模式一般应用于电阻性负载场合，电感性负载勉强可以使用，而电容性负载电压畸变严重，不是很实用；非互补调制模式适用于电阻电感性负载，电容性负载存在一定的失控区；带有电流检测的非互补调制模式则可以很好的适用于电阻、电感、电容等各种类型的负载，同时避免了斩波开关和续流开关换相过程中引起的过电压。
因此，本设计选用带电流检测的非互补调制模式控制单管反串联交流斩波式调压电路。表1为带电流检测的非互补信号的控制逻辑。
表1中区间的划分依据为电压与电流的极性关系，根据极性关系可划分四个区，每个区各个IGBT开关对应不同的控制逻辑。其中“1”表示IGBT门极施加驱动信号；“0”表示IGBT门极信号封锁；Ug、表示斩波开关与续流开关的PWM驱动信号。
2 PWM控制方式的FPGA实现
2.1 控制电路图
根据带电流检测的非互补信号的控制逻辑，在EDA开发工具QuartusII软件中输入设计文件，绘制顶层图，如图2所示。
电路图中主要包括四个模块：分频电路模块、A/D采样电路控制模块、电压电流相位判断模块以及PWM产生模块。
①分频器模块。根据负载特性和开关管工作效率两个方面的因素，PWM的开关频率可选为20 kHz，A/D转换芯片ADC0809的典型工作频率为640 kHz，故图中分频器模块主要用于产生20 kHz和640 kHz时钟信号。
②A/D采样电路控制模块。A/D转换选用的芯片为ADC0809，该芯片是8位A/D转换器，可控制8路模拟信号的转换，完成一次的转换时间约为100 us。转换前根据通道选择地址，选择某一输入端的模拟信号，然后启动转换，等待转换结束信号，输出相应的数字量。该部分控制逻辑可采用状态机的方式实现，由初始化状态、启动采样状态、转换等待状态、转换结束状态以及数据读取状态组成。
③电压电流相位判断模块。该模块主要针对输入的电压数字量和电流数字量进行相位判断，若电压为正，电流为负，设为I区（3′b001）；电压为正，电流为正，设为II区（3′b010）；电压为负，电流为正，设为III区（3′b011）；电压为负，电流为负，设为Ⅳ区（3′b100）。
④PWM产生模块。将电压电流相位判断模块输出的分区信号送入到PWM产生模块中，按电流检测非互补控制方式生成IGBT开关管的驱动控制信号。
2.2 模块仿真
对PWM控制电路中的各模块电路与总电路进行仿真，其中PWM产生模块的仿真波形如图3所示。
由仿真波形可以看到：当分区信号为3′b001（I区）时，Vg1a=0，Vg1b=1，Vg2a=反相PWM波，Vg2b=1；分区信号为3′b010（II区）时，Vg1a=PWM波，Vg1b=1，Vg2a=0，Vg2b=1；III区和IV同理可得。通过数据比较可以发现，四路驱动信号与表1中的控制信号一致，符合设计要求。
3 结 语
本文利用FPGA实现对交流斩波调压电路中PWM的控制，与传统的PWM专用控制芯片实现方式相比，结构简单，可靠性高，而且FPGA它所具有的静态可重复编程和动态在系统重构的特性，使得设计更加灵活，同时也降低了开发成本。
参考文献：
[1] 周剑.基于DSP的道路照明节电器的设计[D].辽宁：大连交通大学，2009.
[2] 侯刚.斩波式交流调压电路结构比较分析[J].电工电能新技术，1995，（2）：30-33.
[3] 郑春茂.智能正弦波调光器的研究[D].上海：东华大学，2010.
[4] 王鲁杨，郝静.带电流检测的非互补控制交流调压的控制方式[J].上海电力学院学报，2011，27（5）：439-443.
关键词：斩波调压器；IGBT；PWM；Verilog HDL；
中图分类号：TM423 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）05-0040-02
随着电子技术的飞速发展，电子系统的设计理念和设计方法发生了深刻的变化，EDA技术成为现在电子设计技术的有力工具。它将以前“电路设计+硬件焊接+调试”转化为“功能设计+软件模拟+仿真”的模式。利用EDA 开发平台，采用可编程逻辑器件CPLD/FPGA 使得硬件功能可通过软件编程的方式来实现。这种设计方法使设计者大大减轻了电路设计的工作量和难度，增强了设计的灵活性，有效地提高了工作效率。
本文就是利用EDA开发平台，实现基于IGBT器件的交流斩波调压器中PWM波的控制。这种基于IGBT器件和PWM控制的交流调压器，相比于传统的变压器调压和可控硅调压，不仅负载适用面广，同时在很大程度上降低了对电网的污染，大大改善了交流电压调节器的性能，迎合了目前国家提倡的多元化照明和节能减排的要求。
1 交流斩波调压器的控制原理
交流斩波调压电路就是以比输入电源高得多的频率，周期性使电路中的受控开关器件导通和关断，以此来改变开关导通的占空比，从而达到调节输出电压大小的目的。目前比较典型的交流斩波调压电路主要有单管反串联交流斩波式调压电路、双开关交流斩波式调压电路和单管双向开关交流斩波式调压电路等。其中单管反串联交流斩波式调压电路的IGBT采取单管反串联连接方式，使其双向受控器件具有“共地”端，简化了受控器件的驱动电路，使PWM波便于控制。
单管反串联交流斩波式调压电路如图1所示。图中VG1a、VG1b、VD1a和VD1b构成双向斩波开关S1，VG2a、VG2b、VD2a和VD2b构成双向续流开关S2。由于交流斩波调压对象是交流电压，电路对正负半波电压要求均能进行调制，故S1和S2开关器件均为双向开关。其中VG1a、VG1b、VG2a和VG2b由IGBT可控开关器件构成。其主要控制过程为：S1导通，S2关断，电源通过S1开关向负载提供能量；S1关断，S2导通，负载通过S2开关构成续流回路。
电路中的S1，S2在运行过程中必须严格遵守以下两点：任意时刻S1与S2不能同时导通，否则造成电源短路，开关器件过流损坏；任意时刻S1与S2不能同时关断，否则滤波电感电流没有续流回路，产生很高的电压，造成开关管过压损坏。
斩波开关S1和续流开关S2的控制方式，即VG1a～VG2b可控开关的PWM控制方式主要有以下三种：互补控制方式、传统非互补控制方式、带电流检测的非互补控制方式三种。经研究发现：互补调制模式一般应用于电阻性负载场合，电感性负载勉强可以使用，而电容性负载电压畸变严重，不是很实用；非互补调制模式适用于电阻电感性负载，电容性负载存在一定的失控区；带有电流检测的非互补调制模式则可以很好的适用于电阻、电感、电容等各种类型的负载，同时避免了斩波开关和续流开关换相过程中引起的过电压。
因此，本设计选用带电流检测的非互补调制模式控制单管反串联交流斩波式调压电路。表1为带电流检测的非互补信号的控制逻辑。
表1中区间的划分依据为电压与电流的极性关系，根据极性关系可划分四个区，每个区各个IGBT开关对应不同的控制逻辑。其中“1”表示IGBT门极施加驱动信号；“0”表示IGBT门极信号封锁；Ug、表示斩波开关与续流开关的PWM驱动信号。
2 PWM控制方式的FPGA实现
2.1 控制电路图
根据带电流检测的非互补信号的控制逻辑，在EDA开发工具QuartusII软件中输入设计文件，绘制顶层图，如图2所示。
电路图中主要包括四个模块：分频电路模块、A/D采样电路控制模块、电压电流相位判断模块以及PWM产生模块。
①分频器模块。根据负载特性和开关管工作效率两个方面的因素，PWM的开关频率可选为20 kHz，A/D转换芯片ADC0809的典型工作频率为640 kHz，故图中分频器模块主要用于产生20 kHz和640 kHz时钟信号。
②A/D采样电路控制模块。A/D转换选用的芯片为ADC0809，该芯片是8位A/D转换器，可控制8路模拟信号的转换，完成一次的转换时间约为100 us。转换前根据通道选择地址，选择某一输入端的模拟信号，然后启动转换，等待转换结束信号，输出相应的数字量。该部分控制逻辑可采用状态机的方式实现，由初始化状态、启动采样状态、转换等待状态、转换结束状态以及数据读取状态组成。
③电压电流相位判断模块。该模块主要针对输入的电压数字量和电流数字量进行相位判断，若电压为正，电流为负，设为I区（3′b001）；电压为正，电流为正，设为II区（3′b010）；电压为负，电流为正，设为III区（3′b011）；电压为负，电流为负，设为Ⅳ区（3′b100）。
④PWM产生模块。将电压电流相位判断模块输出的分区信号送入到PWM产生模块中，按电流检测非互补控制方式生成IGBT开关管的驱动控制信号。
2.2 模块仿真
对PWM控制电路中的各模块电路与总电路进行仿真，其中PWM产生模块的仿真波形如图3所示。
由仿真波形可以看到：当分区信号为3′b001（I区）时，Vg1a=0，Vg1b=1，Vg2a=反相PWM波，Vg2b=1；分区信号为3′b010（II区）时，Vg1a=PWM波，Vg1b=1，Vg2a=0，Vg2b=1；III区和IV同理可得。通过数据比较可以发现，四路驱动信号与表1中的控制信号一致，符合设计要求。
3 结 语
本文利用FPGA实现对交流斩波调压电路中PWM的控制，与传统的PWM专用控制芯片实现方式相比，结构简单，可靠性高，而且FPGA它所具有的静态可重复编程和动态在系统重构的特性，使得设计更加灵活，同时也降低了开发成本。
参考文献：
[1] 周剑.基于DSP的道路照明节电器的设计[D].辽宁：大连交通大学，2009.
[2] 侯刚.斩波式交流调压电路结构比较分析[J].电工电能新技术，1995，（2）：30-33.
[3] 郑春茂.智能正弦波调光器的研究[D].上海：东华大学，2010.
[4] 王鲁杨，郝静.带电流检测的非互补控制交流调压的控制方式[J].上海电力学院学报，2011，27（5）：439-443.