基于CPLD和ARM控制器实现PWM时序产生电路的应用设计

作者：林涛，李德银，马荣兵，崔训军

高压钠灯是城市照明的重要设备， 其供电电源对照明节能的效果和钠灯工作的可靠性具有十分重要的意义。针对交流调压电源应用于城市路灯节能照明这一特殊场合， 分析了其带电流检测的非互补式控制方式的工作过程， 并采用CPLD 设计了一种相应的PWM时序产生电路， 节能照明电源采用此种斩波时序电路后可以带感性、阻性、容性负载， 工作稳定。

引 言

近年来， 城市的照明节能工作， 已经引起了各地、各级政府的高度关注， 并对城市照明节能提出更高要求。在早期的降压节能产品中主要经历了自耦变压器调压、补偿变压器调压、可控硅调压等几个阶段， 但因其各自的缺点越来越不适合城市照明节能更高的要求， 随着IGBT 的出现和广泛应用， 交流斩波调压技术以其功率因数高、谐波少、效率高、动态过程快、滤波器体积小等优点得到越来越广泛的关注， 也越来越多的应用于城市节能照明领域。

1 用于城市照明节能的交流斩波调压电源主电路原理

城市照明交流调压电源采用/ 交流2交流0 逆变技术， 不受负载特性的限制， 能与任何的负载匹配， 输入与输出频率相同， 频率响应宽， 不产生高次谐波等 。其主电路拓扑如图1 所示， 图中V1 和VD1 ， V2 和VD2 构成双向斩波开关， VF1 和VDF1 ， VF2 和VDF2 构成双向续流开关， Lif ， Cif和Lof ， Cof为低通输入、输出滤波器。

基本原理直流斩波电路有类似之处当在电源正半周， 用V1 进行斩波控制， VF1 提供续流通道， 在负半周， 用V2 进行斩波控制， VF2 提供续流通道。设斩波器件（V1 或V2 ） 导通时间为T on ， 开关周期为T ， 则导通比A= T on / T ， 改变A可调节输出电压， 既输出电压为Uo= AUi（ Ui 为输入电压） 。

2 交流斩波调压的控制方式

在交流斩波调压控制中， 主要有互补控制和非互补控制2 种方式。互补控制， 就是在一个开关周期内， 斩波IGBT 和续流IGBT 必须有且只有一个能导通。在电源工作中， 既不允许两者同时导通而造成电源短路， 也不允许两者同时关断而造成负载电流开路， 而实际中IGBT 的开通和关断总需要延时一段时间， 这就有可能会造成换流过程中2 个IGBT 同时导通。为了避免这种现象， 必须在开通和关断信号之间加入死区时间， 避免出现直通的现象。但加入死区间隔后， 又可能造成换相死区时间内两个IGBT 都不导通， 使负载开路， 在感性负载情况下， 容易造成瞬时电压冲击， 因此此种斩波方式不适合应用于钠灯照明这一感性负载场合。

而采用非互补式控制方式可以克服以上缺点， 其特点是正反相开关的工作方式可以分别控制， 可以使用于任何的负载。但当负载是感性负载时， 电流将滞后电压一个角度， 必然存在电压与电流方向不一致的时刻， 此时刻负载通过电路向电源反馈无功电能， 这时电路输出电压不能再按照Uo = AUi 计算， 交流调压输出范围也将较小。

为了消除这种电压失控的现象， 本电路采用有电压、电流相位检测的PWM 斩波控制方案， 即通过输出电流和电压的状态来决定控制信号的时序。则4 个IGBT 时序与电流、电压的关系如图2 所示。

图中当电压大于零， 电流小于零时， 斩波IGBTV1关断， V2 ， VF1导通， 如果续流IGBT VF2关断时， 负载电流沿V2 和VD2 流向电源， Uo= Ui （Ui 为输入电压） ; 如果VF2 导通时， 电流沿VF2和VDF2续流， Uo= 0。

当电压小于零， 电流大于零时， 斩波IGBT V2 关断， V1 ， VF2 导通， 如果续流IGBT VF1 关断， 负载电流沿V1 和VD1 流向电源， U0 = Uin ， 如果VF1 导通时， 电流沿VF1和VDF1续流， Uo= 0。

因此从以上分析可知当电压和电流方向不一致时仍能满足前面的调压公式Uo = AUi 于是消除了调压失控现象。

3 IGBT 驱动脉冲时序设计

交流调压电源采用带电流相位检测的PWM 斩波方式， 即通过输出电流和电压的状态来决定4 个IGBT控制信号的时序。本电源的主控制系统采用的是ARM 控制器 ， 因此电源的PWM 斩波信号可以由ARM 芯片产生， 时序分配电路用CPLD 实现， 从而可以使电路结构简化， 电路板元件和引线减小， 消除组合逻辑电路存在的竞争冒险， 时序分配框图如图3 所示。

电源输出电压U 和输出电流I 经过电压、电流过零检测电路处理变为高低变化的脉冲送CPLD 后与ARM 控制板发出的PWM 脉冲进行逻辑运算形成四路时序相互配合的IGBT 脉冲信号， 4 路脉冲再经过IGBT 驱动与隔离电路后加到IGBT 的栅极， 控制IG2BT 的开通与关断。斩波脉冲的占空比受ARM 控制，可以通过按键手动设置。

4 CPLD 所实现的逻辑电路和电路时序仿真

在本电源中4 路互相配合的带电流检测的非互补式驱动信号由CPLD 产生， CPLD 所实现的功能电路可以通过CPLD 的开发软件Max + Plus ？ 根据4 路IGBT 驱动脉冲与输出电压、电流的相位关系编写电路图文件来实现如图4 所示。

给输入信号加上激励信号后的波形如下图5 所示（U， I 是电压和电流信号且I 滞后U 一个角度， G 为PWM 脉冲f = 20 kHz） 从输出信号V1 ， V2 ， VF1 ， VF2 之间的时序关系， 可以看出此电路满足电压、电流相位检测的非互补控制方式的要求。

5 结 语

带电流检测的非互补式斩波控制方式由电压、电流的极性决定， 实现形式较为复杂， 但优点是电源的4 个IGBT 在工作工程中不会发生共通共断问题， 不易失控， 换流过程有续流回路， 适合于大功率感性负载应用场合。本城市照明节能电源采用此种斩波方式后， 通过带阻性负载、感性负载、容性负载调试运行正常， 调压范围满足照明节能的实际要求， 工作稳定。配合我所道路照明远程监控技术， 可以很方便组成城市智能照明节电控制系统， 实现城市照明能源的有效控制管理， 避免照明能源浪费， 节约照明能源。

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