基于VHDL的感應加熱電源數(shù)字移相觸發(fā)器設計方案

目前，國內(nèi)大容量全固態(tài)感應加熱電源非常缺乏，中頻及超音頻感應加熱電源研制水平還比較底。其電路大多采用模擬控制電路，其中整流橋移相觸發(fā)電路通常采用模擬型鋸齒波增益可調(diào)電路，逆變輸出負載端多采用CD4046進行模擬控制。本文設計了一套感應加熱電源中三相整流橋的數(shù)字移相觸發(fā)器。

1問題描述

三相整流橋的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在電力電子中，通常將三相電的一個周期分為6個觸發(fā)換相區(qū)[1,4]。整流橋采用晶閘管，晶閘管是可控開關(guān)器件，開通晶閘管必須具備兩個條件：(1)陽極和陰極之間外加正向電壓；(2)門極(控制極)與陰極之間被施加觸發(fā)脈沖。調(diào)整觸發(fā)延遲角θ即可實現(xiàn)對整流輸出功率的控制。

2算法基本思想及改進策略

在模擬型移相觸發(fā)器中，觸發(fā)脈沖的延遲通過改變鋸齒波的斜率實現(xiàn)。通過增益調(diào)節(jié)實現(xiàn)對鋸齒波斜率的改變，從而達到移相的目的。本文設計的數(shù)字觸發(fā)器通過改變計數(shù)脈沖頻率的方法來實現(xiàn)移相。

本文采用VHDL語言進行算法編程[2]，控制器采用Altera公司EP2C5T144C8。整個方案硬件分為：同步電路[3]、反饋環(huán)節(jié)、驅(qū)動部分。A、B、C三相的同步電路結(jié)構(gòu)相同。同步電路[3]結(jié)構(gòu)如圖2所示。

同步電路由低通濾波器和限流電阻組成。由于低通濾波器的存在，會導致三相電的相移，由于后級每一個光耦的輸入都是兩路同步電路的輸入。因此低通濾波器導致的相移可以抵消。要合理選擇同步電路的參數(shù)，尤其是電容的參數(shù)，電容不易過大。電阻的選擇要考慮與后端光耦的匹配。同步信號經(jīng)過光耦隔離轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后送入FPGA。

由于FPGA的IO標準是3.3V,因此要驅(qū)動晶閘管還需要進行放大處理。本電源中采用脈沖變壓器。感應加熱電源負載部分的IGBT逆變橋由DSP控制，DSP采用TMS320F2812,DSP控制IGBT逆變橋跟蹤負載上的信號頻率，監(jiān)測IGBT的溫度，根據(jù)IGBT的溫度通過反饋環(huán)節(jié)給前端FPGA一個可控頻率方波，從而確定移相角的大小，構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)?？煽仡l率方波則直接決定著移相角的大小。

2.1算法介紹[3]

三相整流橋調(diào)功算法部分可以分為同步信號預處理、移相模塊、脈沖配置模塊三部分。

6路同步信號經(jīng)過光耦隔離后轉(zhuǎn)換為方波送入FPGA芯片內(nèi)，由于光耦固有延遲的存在，所以光耦輸出的方波信號邊沿變化緩慢，如圖3所示。

由于同為兩相電壓產(chǎn)生的兩路同步信號，頻率、幅度相同，相位差半個周期。為了節(jié)省芯片資源，可將同兩相電壓產(chǎn)生的兩路同步信號進行異或處理，異或處理之前要對兩路同步信號進行“打拍”處理，兩路同步信號“打拍“的次數(shù)決定著負脈沖的寬度，仿真波形如圖4所示。plusea0與plusea1打拍后，作異或運算及仿真結(jié)果。

移相模塊電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。移相觸發(fā)模塊由T觸發(fā)器、兩個邏輯門和計數(shù)器組成。當計數(shù)器輸入由‘0’變成‘1’時，計數(shù)器開始計數(shù)。當計數(shù)溢出時，送出窄脈沖進位信號導致T觸發(fā)器輸出高電平，從而實現(xiàn)對計數(shù)器的復位，等待下一個脈沖到來時重新計數(shù)，實現(xiàn)了循環(huán)計數(shù)自動清零功能。

經(jīng)過移相仿真后波形如圖6所示。相位移動角度為θ，相位移動的參考基準是異或門的負脈沖，即得到的觸發(fā)時刻是相對于同步信號延遲θ角后的時刻。

三相電的一個周期包含6個換相區(qū)，若晶閘管脈沖觸發(fā)模塊采用單脈沖觸發(fā)，經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)，當電網(wǎng)電壓波動時，會出現(xiàn)漏觸發(fā)現(xiàn)象。

2.2改進策略

本算法中脈沖觸發(fā)模塊的設計由觸發(fā)相區(qū)判斷單元和觸發(fā)脈沖單元兩部分構(gòu)成。判斷單元的作用是根據(jù)前級電路觸發(fā)器輸出的6路提示信號(如圖7中q1~q6)，判斷當前移相角所應對應的換相區(qū)間。脈沖觸發(fā)單元是根據(jù)判斷單元結(jié)果決定所需要觸發(fā)的晶閘管對?！”舅惴ㄖ胁扇℃i相環(huán)倍頻措施，將脈沖觸發(fā)模塊的同步時鐘在系統(tǒng)時鐘基礎之上進行倍頻處理，本系統(tǒng)中主時鐘為20MHz,脈沖觸發(fā)模塊同步時鐘倍頻至100MHz,算法中采用多脈沖連續(xù)觸發(fā)的方式，即換相觸發(fā)時刻到來時，由觸發(fā)脈沖單元在高頻時鐘的同步下，連續(xù)觸發(fā)相應的晶閘管，確保不出現(xiàn)漏觸發(fā)現(xiàn)象。仿真波形如圖7所示。

觸發(fā)脈沖單元根據(jù)判斷單元送出的6路當前觸發(fā)提示信號，對應相應的晶閘管進行連續(xù)觸發(fā)。脈沖觸發(fā)單元輸出的六位信號經(jīng)過脈沖變壓器分別對應觸發(fā)圖1所示晶閘管的標號。

3實驗結(jié)果

從仿真結(jié)果看：觸發(fā)脈沖穩(wěn)定連續(xù)，能夠滿足使用要求。采用雙通示波器能夠清晰地看到對應的兩個觸發(fā)脈沖(實驗中采用的示波器是AgilentDSO3062A)。通過仿真和相應波形測試證明：該數(shù)字觸發(fā)器簡單可靠，產(chǎn)生的脈沖穩(wěn)定、連續(xù)、抗干擾能力強。本系統(tǒng)正應用于200kW大功率感應加熱電源的三相全控整流橋。