基于FPGA的AC-AC谐振变换器实现

摘要：研究了一种适用于非接触电能传输系统、实现低频到高频直接变换的AC-AC谐振变换器的恒幅控制策略，分析了该变换器的运行模式，设计了基于FPGA的控制系统，并通过实验验证了系统方案的有效性。

非接触电能传输技术或者感应电能传输技术，通过采用电磁耦合的方式可实现电能跨越空气气隙的无接触传递[1]。在轨道交通[2]、机器人、单轨行车、消费电子产品、人体内置医疗设备等领域有着广泛的应用前景，已经成为电力电子领域的研究热点[3-4]。

非接触电能传输系统的核心环节就是高频交变磁场的产生，目前普遍采用的方法是利用软开关谐振变换器将输入低频交流电（或者直流电）转换为高频交流电，所使用的电路拓扑主要为AC-DC-AC或是DC-AC拓扑[5]。对工频交流输入的场合，传统AC-DC-AC拓扑存在电路复杂、效率低、成本高等缺点。为此，人们提出了一种新型的AC-AC变换拓扑来实现从低频交流到高频交流的直接变换[6]。这种新型的变换拓扑基于一种能量注入控制方法，当输出电流幅值高于设定值时，可使谐振回路的能量自由振荡或者回馈到电网；当输出电流幅值低于设定值时，向谐振回路注入能量。具有电路拓扑简单、可靠性高、转换效率高、低EMI等优点，在非接触电能传输系统及感应加热电源系统中有着很好的应用前景。

为了实现新型AC-AC变换拓扑所有开关器件的软开关控制及输出电流的幅值控制，本文基于FPGA控制平台设计了系统的实时幅值控制器，分析了系统的控制要求，设计了控制器硬件及软件，并进行了实验验证。

1 AC-AC电路工作原理分析

能量注入式AC-AC谐振变换器的拓扑结构如图1所示。整个电路由4个MOSFET开关管S1、S2、S3、S4，反并联二极管D1、D2、D3、D4及RLC的串联谐振网络组成。S1、S2及反并联二极管组成的双向开关用于谐振网络的能量注入及能量回馈；而S3、S4及反并联二极管组成的双向开关则用于控制谐振网络内能量的双向流动。

根据输入交流电VAC的不同极性，电路有着互相对称的两个半周期运行模式，即正半周和负半周模式。在每个半周期内，根据谐振电流的不同，电路均存在三种工作模态：能量注入、自由谐振及能量回馈。本文只讨论输入电压正半周时系统的工作模式，负半周时可以对称的形式得到。(1)能量注入模态：该模态中S1、D2导通，其余开关管及二极管关断，能量正向注入谐振回路，谐振电流幅值增大。(2)自由谐振模态：谐振电流正向时，D3、S4导通；谐振电流反向时，S3、D4导通，谐振回路在无能量注入的情况下自由振荡，谐振电流幅值逐渐减小。(3)能量回馈模态：谐振电流反向时，S2、D1导通，谐振回路向电源回馈能量，谐振电流幅值快速减小。

2 控制系统结构设计及电流峰值控制策略

为了实现系统输出谐振电流幅值近似恒定，同时保证系统运行在零电流（ZCS）软开关模式，基于FPGA芯片设计系统的反馈控制结构框图如图2所示。系统为双闭环控制结构，内环检测谐振电流的过零信号，用以实现ZCS软开关工作模式；外环采用误差比较器将反馈信号与参考电流值进行比较，以确定输出电流幅值是否在误差范围内，从而根据50Hz交流信号的极性及误差比较信息判断系统的工作模态，以稳定输出谐振电流幅值。

根据上述控制系统结构，结合系统的工作模式，设计系统的峰值控制策略如表1所示。

3 FPGA控制电路板设计

基于Altera公司的EP2C5T144C8型FPGA芯片，根据图2所示的系统框图设计系统控制板。控制器有三路输入，即50Hz交流电源过零信号、谐振电流过零信号及参考电流与检测反馈电流值比较的误差信号。控制器根据这三路输入信号进行相应的运算后，在谐振电流过零点输出控制信号，控制4个MOSFET的工作状态，实现对谐振电流峰值的幅值控制。

考虑到误差比较信号需要能够比较出电流正向和反向两种情况，采用高速比较器LM319将输入电流检测信号与正向参考和负向参考分别比较，产生正向峰值和负向峰值检测信号。结合另外两路过零比较信号，系统的过零检测及误差比较电路如图3所示。

为了尽量减小控制延迟并提高系统的抗干扰能力，在隔离驱动电路模块中采用了高速光耦隔离器件6N137，同时配合三极管组成的推挽电路提高驱动能力。

过零检测与误差比较电路的输出信号以及隔离驱动电路的输入信号分别与FPGA控制器的I/O引脚相接，FPGA根据表1的开关控制逻辑实时控制系统的工作模式，实现输出电流的近似恒幅值控制。

4 算法流程设计

根据电流峰值控制策略，系统的控制算法流程设计如下：

(1)检测上半周期谐振电流峰值是否大于参考值，如果大于参考值，转流程(6)；
     (2)检测本半个周期的谐振电流的方向；
     (3)检测50 Hz低频信号方向是否与谐振电流方向一致，如不一致，转流程(5)；
     (4)系统切换到能量注入工作模态，转流程(1)；
     (5)系统切换到自由振荡工作模态，转流程(1)；
     (6)检测本半个周期的谐振电流的方向；
     (7)检测50 Hz低频信号方向是否与谐振电流方向一致，如不一致，转流程(9)；
     (8)系统切换到自由振荡工作模态，转流程(1)；
     (9)系统切换到能量回馈工作模态，转流程(1)。

5 实验测试

根据算法流程设计，搭建了系统实验电路进行测试。实验中，参考电流设置为5A，系统输入电压为80V/50Hz，在空载和10W负载时输入电压波形及谐振电流波形分别如图4(a)、图4(b)所示。图中上方通道为50Hz交流电压波形，下方通道为谐振电流波形。

由图4可以看出，基于FPGA的谐振电流在拾取端负载变化时，可以有效地保持初级回路谐振电流峰值在设定值附近波动。在输入交流过零点附近，由于输入电压过低，注入系统的能量不足以维持谐振电流的幅值恒定，因此会出现明显的凹陷。另外由于该变换器工作于软开关谐振状态，因此控制动作只发生在谐振电流过零时刻，能量注入具有典型的离散性。这使得空载或者轻载时，注入能量的频率过低，导致输出谐振电流幅值存在较大的纹波，如图5（a）的空载谐振电流局部放大波形所示。但随负载功率增大，注入能量的频率提高，谐振电流的幅值也就越趋平稳，如图5（b）的10W负载谐振电流局部放大波形所示。

本文研究了一种能实现从低频到高频直接变换的AC-AC谐振变换器的恒幅控制策略及其FPGA实现。借助FPGA芯片强大的逻辑运算能力、高速以及灵活配置特性，有效地实现了系统在工频交流输入到20kHz恒幅交流输出的直接变换。系统具有电路简单、开关损耗低、变换效率高、动态性能好等优点。但是由于输入电压过零点附近注入能量严重不足，导致输出电流幅值有明显的凹陷，但并不影响这种变换器在非接触电能传输系统中的应用。

参考文献

[1] TANGCS，SUNY，SUYG，et al.Determining multiple steady-state ZCS operating points of a switch-mode contactless power transfer system[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2009，24(1-2)：416-425.
     [2] COVICGA，BOYSJT，KISSINM L，et al.A three-phase  inductive power transfer system for roadway-powered vehicles[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2007，54(6)：3370-3378.
     [3] 周雯琪，马皓，何湘宁.感应耦合电能传输系统不同补偿拓扑的研究[J].电工技术学报，2009，24(1)：133-139.
     [4] 杨民生，王耀南，欧阳红林.新型恒定一次侧电流无接触电能传输系统的建模与优化(英文)[J].中国电机工程学报，2009，29(4)：34-40.
     [5] HUAP，COVICGA，BOYSJT.Direct ZVS start-up of a current-fed resonant inverter[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2006，21(3)：809-812.
     [6] LI LH，HUAP，GAOJF，et al.Development of a direct AC-AC converter based on a DSPACE platform[C].Chongqing，China：2006.