基于FPGA的逆变控制系统的研究

摘要：在研究Delta变换型UPS拓扑结构的基础上，通过改进逆变器的控制方法，提出了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的SPWM控制器实现方案。该控制器具有载波、调制波的频率和幅度均可在线调节，死区时间可预置，并具有闭环调节功能等特点。整个电路通过FPGA芯片实现，采用硬件描述语言(VHDL)与原理图输入相结合的方法，完成了整个功能模块的设计，使得控制系统更加简单可靠。对所设计的控制器进行了功能和时序仿真，仿真结果验证了设计的正确性和可行性。
关键词：Delta变换型UPS；现场可编程门阵列；正弦脉宽调制；逆变器

0 引言
UPS(Uninterrupted Power Suapply)又称为不间断电源，它通常被置于市电电网和用电负载之间，其目的是改善对负载的供电质量，并在市电故障时，保证负载设备的正常运行。随着电力电子技术的发展，一种全新的UPS拓扑被提出，即Delta变换型UPS。这种UPS由两个变换器构成，既保留了传统在线式UPS的全部在线功能和输出电压高质量，又使得很多关键性能指标得到改善，不仅消除了对电网的污染，更重要的是输出能力高、可靠性强，可以说是目前比较理想的UPS系统。
除了主功率拓扑以外，UPS的控制部分对其整体性能的影响也是至关重要的。当今逆变控制器多以通用微处理器(DSP／MCU)为核心进行全数字化控制，这种以软件为主的方案较大程度上依赖于微处理器的性能，从而限制了逆变器性能的发挥。FPGA以其可靠性高、功耗低、保密性强、灵活的程序设计等特点，大大简化了控制系统结构，并可实现多种高速算法，具有较高的性价比。与由纯软件控制的数字系统相比，它用硬件连线实现算法，加快了运算速度，可以实现真正意义上的并行计算，提高了系统抗干扰性能。为此，近几年来逆变控制器的FPGA实现技术的研究越来越受到关注，已成为逆变控制器发展的新方向之一。

1 Delta变换型UPS的结构
Delta变换型UPS主要由Delta变压器、Delta逆变器、主逆变器、主静态开关、旁路静态开关、输入／输出滤波器及蓄电池组等部分构成(见图1)。Delta逆变器通过Delta变压器串联在市电电源与负载之间，其容量约为系统总容量的20％，主逆变器并联在系统输出端，其容量等于UPS系统容量。当输入电源电压波动小于±15％，频率波动小于±3％时，由Delta逆变器和市电电源共同对负载供电，其稳压精度为±1％(其中85％～100％来自市电电源，0％～15％来自Delta逆变器)；当输入电源超过上述电压和频率范围时，系统转入蓄电池供电方式，由主逆变器为负载提供100％的不间断纯净正弦波电源。市电正常时，Delta逆变器只需补偿与市电电压和系统输出电压差有关的功率，故损耗小，效率高，功率余量大，过载能力强。