基于VHDL的感應(yīng)加熱電源數(shù)字移相觸發(fā)器設(shè)計(jì)

目前，國(guó)內(nèi)大容量全固態(tài)感應(yīng)加熱電源非常缺乏，中頻及超音頻感應(yīng)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(fù)載端多采用CD4046進(jìn)行模擬控制。本文設(shè)計(jì)了一套感應(yīng)加熱電源中三相整流橋的數(shù)字移相觸發(fā)器。

1 問(wèn)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(gè)周期分為6個(gè)觸發(fā)換相區(qū)[1,4]。整流橋采用晶閘管，晶閘管是可控開(kāi)關(guān)器件，開(kāi)通晶閘管必須具備兩個(gè)條件：(1)陽(yáng)極和陰極之間外加正向電壓；(2)門(mén)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(shí)現(xiàn)對(duì)整流輸出功率的控制。

2 算法基本思想及改進(jìn)策略

在模擬型移相觸發(fā)器中，觸發(fā)脈沖的延遲通過(guò)改變鋸齒波的斜率實(shí)現(xiàn)。通過(guò)增益調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)鋸齒波斜率的改變，從而達(dá)到移相的目的。本文設(shè)計(jì)的數(shù)字觸發(fā)器通過(guò)改變計(jì)數(shù)脈沖頻率的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)移相。

本文采用VHDL語(yǔ)言進(jìn)行算法編程[2]，控制器采用Altera公司EP2C5T144C8。整個(gè)方案硬件分為：同步電路[3]、反饋環(huán)節(jié)、驅(qū)動(dòng)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(huì)導(dǎo)致三相電的相移，由于后級(jí)每一個(gè)光耦的輸入都是兩路同步電路的輸入。因此低通濾波器導(dǎo)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(guò)大。電阻的選擇要考慮與后端光耦的匹配。同步信號(hào)經(jīng)過(guò)光耦隔離轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后送入FPGA。

由于FPGA的IO標(biāo)準(zhǔn)是3.3 V,因此要驅(qū)動(dòng)晶閘管還需要進(jìn)行放大處理。本電源中采用脈沖變壓器。感應(yīng)加熱電源負(fù)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(fù)載上的信號(hào)頻率，監(jiān)測(cè)IGBT的溫度，根據(jù)IGBT的溫度通過(guò)反饋環(huán)節(jié)給前端FPGA一個(gè)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(hào)預(yù)處理、移相模塊、脈沖配置模塊三部分。

6路同步信號(hào)經(jīng)過(guò)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(hào)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(hào)，頻率、幅度相同，相位差半個(gè)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(hào)進(jìn)行異或處理，異或處理之前要對(duì)兩路同步信號(hào)進(jìn)行“打拍”處理，兩路同步信號(hào)“打拍“的次數(shù)決定著負(fù)脈沖的寬度，仿真波形如圖4所示。plusea0與plusea1打拍后，作異或運(yùn)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(gè)邏輯門(mén)和計(jì)數(shù)器組成。當(dāng)計(jì)數(shù)器輸入由‘0’變成‘1’時(shí)，計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)溢出時(shí)，送出窄脈沖進(jìn)位信號(hào)導(dǎo)致T觸發(fā)器輸出高電平，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)數(shù)器的復(fù)位，等待下一個(gè)脈沖到來(lái)時(shí)重新計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)了循環(huán)計(jì)數(shù)自動(dòng)清零功能。

經(jīng)過(guò)移相仿真后波形如圖6所示。相位移動(dòng)角度為θ，相位移動(dòng)的參考基準(zhǔn)是異或門(mén)的負(fù)脈沖，即得到的觸發(fā)時(shí)刻是相對(duì)于同步信號(hào)延遲θ角后的時(shí)刻。

三相電的一個(gè)周期包含6個(gè)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(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)漏觸發(fā)現(xiàn)象。

2.2 改進(jìn)策略

本算法中脈沖觸發(fā)模塊的設(shè)計(jì)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(jí)電路觸發(fā)器輸出的6路提示信號(hào)(如圖7中q1~q6)，判斷當(dāng)前移相角所應(yīng)對(duì)應(yīng)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(duì)?！”舅惴ㄖ胁扇?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/鎖相環(huán)倍頻">鎖相環(huán)倍頻措施，將脈沖觸發(fā)模塊的同步時(shí)鐘在系統(tǒng)時(shí)鐘基礎(chǔ)之上進(jìn)行倍頻處理，本系統(tǒng)中主時(shí)鐘為20 MHz,脈沖觸發(fā)模塊同步時(shí)鐘倍頻至100 MHz,算法中采用多脈沖連續(xù)觸發(fā)的方式，即換相觸發(fā)時(shí)刻到來(lái)時(shí)，由觸發(fā)脈沖單元在高頻時(shí)鐘的同步下，連續(xù)觸發(fā)相應(yīng)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(dāng)前觸發(fā)提示信號(hào)，對(duì)應(yīng)相應(yīng)的晶閘管進(jìn)行連續(xù)觸發(fā)。脈沖觸發(fā)單元輸出的六位信號(hào)經(jīng)過(guò)脈沖變壓器分別對(duì)應(yīng)觸發(fā)圖1所示晶閘管的標(biāo)號(hào)。

3 實(shí)驗(yàn)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(duì)應(yīng)的兩個(gè)觸發(fā)脈沖(實(shí)驗(yàn)中采用的示波器是Agilent DSO3062A)。通過(guò)仿真和相應(yīng)波形測(cè)試證明：該數(shù)字觸發(fā)器簡(jiǎn)單可靠，產(chǎn)生的脈沖穩(wěn)定、連續(xù)、抗干擾能力強(qiáng)。本系統(tǒng)正應(yīng)用于200 kW大功率感應(yīng)加熱電源的三相全控整流橋。