基于DSP及FPGA的级联型多电平逆变器研究与设计
摘要
多电平逆变器已成为当前电力电子技术研究的热点之一。其中,级联型多电平逆变器是由若干个基本逆变单元(例如H桥逆变器)通过级联组成的单相或三相逆变器。每一个逆变单元可以输出方波或阶梯波,通过输出波形的叠加合成,形成更多电平台阶的阶梯波,以逼近逆变器的正弦输出电压。由于整个逆变任务的高压大功率输出是由多个逆变单元串联完成的,与非级联电路相比受开关管功率和耐压限制的影响小,同时减小dv／dt和输出电压中的谐波成分所导致的损耗及干扰等问题。近年来,由于级联多电平逆变器的上述优点,在中高压调速、电力有源滤波器等应用中已引起了电力电子行业的极大关注,成为中高压能量变换的首选方案。
本文从理论分析、系统仿真和实际实验等多方面对级联型多电平逆变电路进行分析研究,设计了一套以DSP与FPGA为控制核心的三相5电平H桥级联型多电平逆变器的硬件实验平台。以TMS320LF2812 DSP为主控芯片,通过ALTERA FPGA产生多路PWM驱动脉冲,控制EXB841驱动芯片驱动H桥级联型多电平逆变器IGBT主回路。
本文首先介绍了多电平逆变器的拓扑结构及触发脉冲PWM控制策略,以级联型多电平逆变器为研究对象,分析了三角载波移相PWM控制策略下输出电压及谐波成分,并通过MATLAB/Simulink算法仿真实验加以验证。然后,设计了IGBT主电路及DSP与FPGA控制电路,对比几种触发脉冲产生方法,采用直接数字频率合成法设计了通用PWM调制模块,用FPGA实现算法及多路PWM通道扩展。最后对实验波形进行了分析,给出了实验结论。
Multilevel inverter structures are becoming increasingly popular for high power applications in modern power electronics technology research. Among them, the cascaded multilevel inverter is based on a number of basic cells (i.e., H-bridge inverter) connecting in series to form a single-phase or three-phase inverter. Each basic cell can produce square voltage wave or step voltage wave, and create more level steps of the wave to approximate the sine output voltage through the superposition of the output waveform synthesis. The inverter is constrcted by the basic cell in series to complete the high voltage power output. Compared with non-cascaded circuits, the switch component's power and voltage stress of cascaded inverter are not limited. Meanwhile it can decrease dv/dt and achieve improved harmonic performance for the modulation of cascade inverters. As the advantages mentioned above,in recent years, the cascaded multilevel inverter has attracted great attention in the application areas such as high power converters, AC drives, and power active harmonic filters. It is becoming the first choice in the high voltage energy conversion applications.
This paper introduces the theoretical analysis, system simulation and actual experiments of cascaded multilevel inverter,design a 5 level cascaded H-bridge multilevel inverter hardware experimental platform based on DSP and FPGA. The main controller, TMS320LF2812 DSP, is responsible for the whole system control, and EP1C6T144C8, the coprocessor, realizes the digital PWM module and produces multichannel PWM driving pulse. Then it controls the H-bridge driver chips EXB841 to drive IGBT main circuit.
Firstly, this paper introduces the multilevel inverter topology and the PWM control strategies, chooses the cascade multilevel inverter as the object of study, analyses the phase shifted carrier PWM control strategy of the output voltage and harmonic, and verifies the results through MATLAB/Simulink simulation algorithm. Secondly, this paper designs the IGBT main circuit and DSP and FPGA control circuit, direct, using digital frequency synthesis design for a common PWM modulation module in FPGA, then realize a PWM channel expansion. Finally, the experimental results are given.
本文从理论分析、系统仿真和实际实验等多方面对级联型多电平逆变电路进行分析研究,设计了一套以DSP与FPGA为控制核心的三相5电平H桥级联型多电平逆变器的硬件实验平台。以TMS320LF2812 DSP为主控芯片,通过ALTERA FPGA产生多路PWM驱动脉冲,控制EXB841驱动芯片驱动H桥级联型多电平逆变器IGBT主回路。
本文首先介绍了多电平逆变器的拓扑结构及触发脉冲PWM控制策略,以级联型多电平逆变器为研究对象,分析了三角载波移相PWM控制策略下输出电压及谐波成分,并通过MATLAB/Simulink算法仿真实验加以验证。然后,设计了IGBT主电路及DSP与FPGA控制电路,对比几种触发脉冲产生方法,采用直接数字频率合成法设计了通用PWM调制模块,用FPGA实现算法及多路PWM通道扩展。最后对实验波形进行了分析,给出了实验结论。
Multilevel inverter structures are becoming increasingly popular for high power applications in modern power electronics technology research. Among them, the cascaded multilevel inverter is based on a number of basic cells (i.e., H-bridge inverter) connecting in series to form a single-phase or three-phase inverter. Each basic cell can produce square voltage wave or step voltage wave, and create more level steps of the wave to approximate the sine output voltage through the superposition of the output waveform synthesis. The inverter is constrcted by the basic cell in series to complete the high voltage power output. Compared with non-cascaded circuits, the switch component's power and voltage stress of cascaded inverter are not limited. Meanwhile it can decrease dv/dt and achieve improved harmonic performance for the modulation of cascade inverters. As the advantages mentioned above,in recent years, the cascaded multilevel inverter has attracted great attention in the application areas such as high power converters, AC drives, and power active harmonic filters. It is becoming the first choice in the high voltage energy conversion applications.
This paper introduces the theoretical analysis, system simulation and actual experiments of cascaded multilevel inverter,design a 5 level cascaded H-bridge multilevel inverter hardware experimental platform based on DSP and FPGA. The main controller, TMS320LF2812 DSP, is responsible for the whole system control, and EP1C6T144C8, the coprocessor, realizes the digital PWM module and produces multichannel PWM driving pulse. Then it controls the H-bridge driver chips EXB841 to drive IGBT main circuit.
Firstly, this paper introduces the multilevel inverter topology and the PWM control strategies, chooses the cascade multilevel inverter as the object of study, analyses the phase shifted carrier PWM control strategy of the output voltage and harmonic, and verifies the results through MATLAB/Simulink simulation algorithm. Secondly, this paper designs the IGBT main circuit and DSP and FPGA control circuit, direct, using digital frequency synthesis design for a common PWM modulation module in FPGA, then realize a PWM channel expansion. Finally, the experimental results are given.
引文
[1]刘凤君.多电平逆变技术及其应用[M].北京：机械工业出版社,2007.
[2]WuB.大功率变频器及交流传动[M].北京：机械工业出版社,2007.
[3]吴洪洋,何湘宁.级联型多电平变换器PWM控制方法的仿真研究[J].中国电机工程学报.2001,21(8)：42-46.
[4]D.zhou D G R. Experimental Comparisons of Space Vector Neutral Point Balancing Strategies for Three-Level Topology[C].2001.
[5]张皓,续明进,杨梅.高压大功率变流变频调速技术[M].北京：机械工业出版社,2006.
[6]李永东,王琛琛.大容量多电平变换器拓扑研究及其最新进展[J].自动化博览.2009,26(4)：16-21,57.
[7]Peng F Z. A Generalized Multilevel Inverter Topology with Self Voltage Balancing[C].2000.
[8]bose B K. Modern Power Electronics and AC Drives[M].北京：机械工业出版社,2003.
[9]王小峰.三相多电平变流器电压平衡、嵌位策略与调制技术研究[D].杭州：浙江大学,2007.
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[12]种明振,赵相宾.高压变频器应用手册[M].北京：机械工业出版社,2009.
[13]刘贇.混合级联多电平拓扑及其在STATCOM中的应用研究[D].武汉：华中科技大学,2008.
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[19]胡存刚.多电平二极管箝位型逆变器PWM控制方法及相关问题的研究[D].合肥：合肥工业大学,2008.
[20]周迪.中高压多电平PWM变频器的研究[D].天津：天津大学,2004.
[21]余威.级联型三相五电平变频器的研究[D].上海：上海大学,2007.
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