交流电源的设计

交流电源的设计

曹学科田丹丹谭先锋

（南华大学湖南衡阳421001）

指导老师：王彦

摘要：利用FPGA完成交流电源的设计，220V交流电压经斩波和逆变之后输出大小可调且成正弦变化的交流电压。SPWM脉宽调制信号的产生和变频部分是基于超高速硬件描述语言VHDL在Xilinx公司的SpartanⅡ系列的XC2S2005PQ-208芯片上编程实现；经仿真调试，产生的电压大小和预置的基本一致，达到技术指标。

关键词：FPGA, VHDL, SPWM脉宽调制，变频

Design of the AC Power Supply

Cao Xueke Tian Dandan Tan Xianfeng

（Nanhua University HengYang Hunan 421001）

Teacher：Wang Yan

Abstact：Design the AC Power Supply by FPGA. The AC voltage can output an AC voltage which can be resized and varying in sine form after DC-DC converter and DC-AC converter. Generating of the SPWM signal and frequency converting is programmed with hardware

description language VHDL and realized in the chip of XC2S2005PQ-208, SpartanⅡSeries,

Xilinx, Co. The output voltage is consist with the voltage pre-established and can reach the technique index.

Keywords：FPGA, VHDL, SPWM, frequency converting

目录

第一章系统设计 (3)

1.1 设计要求 (3)

1.1.1 基本部分 (3)

1.1.2 发挥部分 (3)

1.2 总体设计方案 (3)

1.2.1 设计思路 (3)

1.2.2 方案比较 (3)

1.2.3 系统组成及工作原理 (3)

第二章单元电路设计 (2)

2.1 主电路图 (4)

2.2 整流滤波电路 (4)

2.3 直流斩波电路 (4)

2.4 逆变电路 (5)

2.4.1 SPWM控制的基本原理 (5)

2.4.2 SPWM逆变电路的设计 (5)

第三章软件设计 (6)

第四章系统测试 (6)

4.1 测试使用的仪器 (7)

4.2测试方法 (7)

4.3指标测试和测试结果 (7)

第五章结束语 (10)

第六章参考文献 (10)

附录 (5)

程序清单 (5)

第一章系统设计

1.1 设计要求

1.1.1 基本部分

设计一交流电源，输入为220V交流电，输出为频率、幅值可调的交流电压。

1.1.2 发挥部分

实现正弦波脉宽调制（SPWM），使输出为频率、幅值可调，且成正弦变化的交流电压。

1.2 总体设计方案

1.2.1 设计思路

交流电源是一种AC/DC/AC变换装置。首先将220V交流电经整流得到脉动直流，再经滤波得到平滑直流送至斩波器，通过FPGA来控制斩波器，得到的直流电大小，最后通过FPGA产生正弦波脉宽调制信号控制逆变器的变频频率，将直流电变为频率和大小都可调的交流电输出。

1.2.2方案比较

方案一：采用传统的数字电路方法完成设计。对于斩波部分采用脉宽调制芯片SG3524，该方法简单实用，但有电源电压的限制，控制不够灵活，可靠性不高。

方案二：由单片机来完成设计。目前，单片机的功能已比较强大，集成度日益增高且

其设计和控制比较容易。现有的大部分都是用单片机来控制输出电压大小。但是单片机最小系统的抗干扰性差，在运行过程中容易死机或进入死循环，可靠性降低。

方案三：用FPGA控制IGBT的导通时间以及逆变电路部分的变频频率，从而改变输

出电压的幅值和频率。该方法编程简单，控制灵活，而且抗干扰性强，随着大批量的生产，成本也有下降的趋势。

综上，此处采用FPGA来完成交流电源的设计是最佳方案。

1.2.3 系统组成和工作原理

图1-2-3-1 原理方框图

图1-2-3-1为系统的原理框图。220V交流电压经过单相全桥整流滤波电路后得到幅值固定的直流电。直流斩波部分采用脉宽调制（PWM）法或称为变频调宽法，即固定周期T，改变开关管IGBT的导通时间T on，达到改变直流电输出幅值的目的。此处采用FPGA来产生频率可调的方波信号以控制T on。最后通过逆变器使直流变为交流电压输出。逆变电路采用MOSFET管组成的全桥电压型逆变电路。通过正弦波脉宽调制（SPWM）使输出为正弦交流电压。利用FPGA产生一系列等幅不等宽，可等效于正弦波的矩形脉冲做为开关管的控制信号，使MOSFET管交替导通和关断，产生频率和幅值都可调的正弦交流电压。

第二章单元电路设计

2.1 主电路图

图2-1-1为主电路图，由整流滤波，斩波电路和逆变电路三个部分组成。其中IGBT的导通时间和逆变部分的控制信号的频率用FPGA来实现。

图2-1-1 主电路图

2.2 整流滤波电路

采用单相不控全桥整流电路。220V交流电压先经过整流得到脉动直流电压，然后经过滤波电路，最终得到平滑的直流电压，其工作波形如图2-2-1所示。

（a）输入电压波形（b）经整流得到的脉动直流（c）经滤波得到的直流电压

图2-2-1 整流滤波后的电压波形