基于FPGA的逆變器橋臂實時仿真模型

馬海心

摘要：為了建立逆變器橋臂級實時仿真模型，以典型的IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）與電力二極管組合作為橋臂基本結構，分析了橋臂的工作狀態，重點是對暫態過程分析。在FPGA（Field Programmable Gate Array）中建立橋臂模型，并利用ModelSim軟件和DA電路對該橋臂模型進行驗證。驗證結果表明，該模型準確、實時地反映橋臂中點輸出電壓、電流以及IGBT開關暫態過程中的電壓、電流尖峰。

Abstract： In order to build the real-time simulation model of inverter leg， this paper analyzes the working state of inverter leg based especially the transient state on the basic structure that composed of two pairs of IGBT and power diode combination. The bridge model is built in FPGA and verified by ModelSim and DA circuit. It is accurate to reflect the module neutral-point voltage， current and peak of voltage and current in switching process of IGBT.

關鍵詞：IGBT ；逆變器橋臂；現場可編程門陣列；ModelSim仿真

Key words： IGBT；inverter leg；Field Programmable Gate Array；ModelSim simulation

中圖分類號：TN76 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）30-0132-03

0 引言

逆變器是實現交-直流電變換的關鍵器件，而電力電子器件又是逆變器的核心部件，逆變器中的電力電子以全控型器件為主，目前應用最廣泛的是絕緣柵雙極晶體（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）。IGBT可以通過觸發電壓信號實現管子的開通或關斷，開通和關斷過程是非常短暫的，一般只有幾百納秒[1-2]。在現有的軟件模型中，對于IGBT開關暫態過程往往視為理想過程，所以難以反映實際中的開關過程的尖峰電壓、電流，開關損耗等問題[3-6]；有的模型考慮了開關過程，但會增大CPU工作量，使得仿真速度降低，例如在M-ATLAB中，對IGBT的參數進行詳細設置后，會大大拖慢仿真速度[7-8]。

為了兼顧對IGBT的工作的準確度和仿真實時性，本文提出采用現場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）建立IGBT模型，在此基礎上，建立起逆變器橋臂的模型，該模型由兩個IGBT和兩個續流二極管組成。根據橋臂上各元件的工作狀態，設計橋臂模型的結構，然后在ISE開發軟件中利用硬件描述語言VHDL建立軟件模型，在仿真軟件M-odelSim軟件中進行驗證。

1 橋臂工作狀態

三相逆變器是實際中應用比較廣泛的類型，其基本電路圖如圖1所示。圖中Edc表示直流母線電壓，VT1～VT6是全控型電力電子開關器件（本文以IGBT為例），D1～D6為續流二極管，N表示三組對稱負載的中性地。逆變器由3組結構相同的橋臂構成，每一組都輸出一相交流電，通過協調控制每組觸發時序，就可以產生三相對稱的交流電。由于每組橋臂結構相同，工作狀態只是相差一定的相位角[9-12]，所以研究一組橋臂的工作過程就可以推出整個逆變器的工作狀態。本文就是基于逆變器一組橋臂建立仿真模型，研究一組橋臂上在穩態和暫態時的工作特性。

逆變器單組橋臂的電路圖如圖2所示。由于電動機一般都為感性負載，所以設定圖1中負載為感性負載。感性負載的一大特點就是電流在開關器件的高頻率換流過程中，基本保持不變，相當于電流源[13-15]。圖2中各物理量的含義如表1所示，各物理量的正方向如圖2中所示。由于橋臂上下兩個開關關不能同時導通，所以橋臂的開關信號在任意時刻（S1，S2）的狀態只能是（1，0）、（0，1）（0，0）其中的一種。根據Io的方向和各電力電子器件的工作狀態，可以分析得出橋臂的穩態工作狀態共有4中，用SS取0～3來表示不同的狀態，橋臂穩態時各元件工作狀態及相關變量如表2所示。

橋臂的暫態就是換流過程，也是不同穩態之間的切換過程，根據表2中的4種穩態，可以分析暫態的類型如表3所示。不難看出，暫態對應的都是VT1或VT2的開通或者關斷過程，由于VT1和VT2是結構性能相同的IGBT，所以暫態過程可以簡化為該類型IGBT的開通和關斷過程，用TS取值0和1來代表不同的暫態過程。

2 軟件設計

FPGA開發軟件ISE中采用HDL文件和原理圖文件建立各個功能模塊，如圖3所示。該模型中主要包含脈沖產生模塊simpulse、橋臂狀態判斷模塊JudgeBrgSt、時鐘分頻模塊HDACLK、暫態模塊devmod、穩態模塊BrgVar、輸入輸出端口等。

橋臂狀態判斷模塊產生暫態信號Trig和橋臂穩態類型信號brg_st。Trig為暫態IP核devmod的輸入信號，Trig為“1”時進入開通暫態，Trig為“0”時進入關斷暫態；穩態IP核BrgVar既實現穩態模型，也實現橋臂穩態和暫態的連接功能。橋臂狀態信號st_trans作為穩態IP核BrgVar的輸入信號，當st_trans為“0”時，BrgVar輸出穩態值；當st_trans為“1”時，BrgVar輸出暫態值。

3 實驗驗證

FPGA采用Xilinx公司的XC3S500E芯片，該芯片采用的外部時鐘晶振的頻率為50MHz，時鐘周期為20ns，IGBT的模型以Infineon公司生產的FF1400R17IP4型號為參考，穩態工作電壓取750V，電流取500A。

在ISE軟件中編寫仿真測試激勵文件，設置時鐘信號clk的周期為20ns。ISE中仿真不能實現波形的模擬化，而仿真軟件ModelSim可以實現。在ModelSim中的仿真結果如圖4所示。

可以看出，圖4中顯示的狀態變換關系符合前文設計邏輯，電壓、電流的變化也反映出IGBT的開關過程。然后把軟件模型燒錄到FPGA中，通過DA電路輸出。用示波器觀測模型的輸出暫態電壓如圖5所示。可以看出，橋臂開關暫態的電壓變化情況較為詳細，開通過程持續了約2微妙，關斷過程持續約1微妙，與數據手冊基本一致，驗證了橋臂模型的正確性。隨后，對模型通入PWM調制信號，頻率為400Hz，然后觀測輸出電壓，如圖6所示，結果表明輸出電壓與輸入開關信號相符，橋臂模型運行正常。

4 總結

本文分析了逆變器橋臂的工作過程，并在FPGA中設計其仿真模型，最后通過在ModelSim和DA輸出電路驗證了模型的正確性。驗證結果顯示，該模型對橋臂的工作過程描述符合實際情況，實現了對橋臂暫態和穩態過程的實時、準確仿真。

參考文獻：

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