基于FPGA的逆变器桥臂实时仿真模型

马海心

摘要：为了建立逆变器桥臂级实时仿真模型，以典型的IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）与电力二极管组合作为桥臂基本结构，分析了桥臂的工作状态，重点是对暂态过程分析。在FPGA（Field Programmable Gate Array）中建立桥臂模型，并利用ModelSim软件和DA电路对该桥臂模型进行验证。验证结果表明，该模型准确、实时地反映桥臂中点输出电压、电流以及IGBT开关暂态过程中的电压、电流尖峰。

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.

关键词：IGBT ；逆变器桥臂；现场可编程门阵列；ModelSim仿真

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

中图分类号：TN76 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）30-0132-03

0 引言

逆变器是实现交-直流电变换的关键器件，而电力电子器件又是逆变器的核心部件，逆变器中的电力电子以全控型器件为主，目前应用最广泛的是绝缘栅双极晶体（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）。IGBT可以通过触发电压信号实现管子的开通或关断，开通和关断过程是非常短暂的，一般只有几百纳秒[1-2]。在现有的软件模型中，对于IGBT开关暂态过程往往视为理想过程，所以难以反映实际中的开关过程的尖峰电压、电流，开关损耗等问题[3-6]；有的模型考虑了开关过程，但会增大CPU工作量，使得仿真速度降低，例如在M-ATLAB中，对IGBT的参数进行详细设置后，会大大拖慢仿真速度[7-8]。

为了兼顾对IGBT的工作的准确度和仿真实时性，本文提出采用现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）建立IGBT模型，在此基础上，建立起逆变器桥臂的模型，该模型由两个IGBT和两个续流二极管组成。根据桥臂上各元件的工作状态，设计桥臂模型的结构，然后在ISE开发软件中利用硬件描述语言VHDL建立软件模型，在仿真软件M-odelSim软件中进行验证。

1 桥臂工作状态

三相逆变器是实际中应用比较广泛的类型，其基本电路图如图1所示。图中Edc表示直流母线电压，VT1～VT6是全控型电力电子开关器件（本文以IGBT为例），D1～D6为续流二极管，N表示三组对称负载的中性地。逆变器由3组结构相同的桥臂构成，每一组都输出一相交流电，通过协调控制每组触发时序，就可以产生三相对称的交流电。由于每组桥臂结构相同，工作状态只是相差一定的相位角[9-12]，所以研究一组桥臂的工作过程就可以推出整个逆变器的工作状态。本文就是基于逆变器一组桥臂建立仿真模型，研究一组桥臂上在稳态和暂态时的工作特性。

逆变器单组桥臂的电路图如图2所示。由于电动机一般都为感性负载，所以设定图1中负载为感性负载。感性负载的一大特点就是电流在开关器件的高频率换流过程中，基本保持不变，相当于电流源[13-15]。图2中各物理量的含义如表1所示，各物理量的正方向如图2中所示。由于桥臂上下两个开关关不能同时导通，所以桥臂的开关信号在任意时刻（S1，S2）的状态只能是（1，0）、（0，1）（0，0）其中的一种。根据Io的方向和各电力电子器件的工作状态，可以分析得出桥臂的稳态工作状态共有4中，用SS取0～3来表示不同的状态，桥臂稳态时各元件工作状态及相关变量如表2所示。

桥臂的暂态就是换流过程，也是不同稳态之间的切换过程，根据表2中的4种稳态，可以分析暂态的类型如表3所示。不难看出，暂态对应的都是VT1或VT2的开通或者关断过程，由于VT1和VT2是结构性能相同的IGBT，所以暂态过程可以简化为该类型IGBT的开通和关断过程，用TS取值0和1来代表不同的暂态过程。

2 软件设计

FPGA开发软件ISE中采用HDL文件和原理图文件建立各个功能模块，如图3所示。该模型中主要包含脉冲产生模块simpulse、桥臂状态判断模块JudgeBrgSt、时钟分频模块HDACLK、暂态模块devmod、稳态模块BrgVar、输入输出端口等。

桥臂状态判断模块产生暂态信号Trig和桥臂稳态类型信号brg_st。Trig为暂态IP核devmod的输入信号，Trig为“1”时进入开通暂态，Trig为“0”时进入关断暂态；稳态IP核BrgVar既实现稳态模型，也实现桥臂稳态和暂态的连接功能。桥臂状态信号st_trans作为稳态IP核BrgVar的输入信号，当st_trans为“0”时，BrgVar输出稳态值；当st_trans为“1”时，BrgVar输出暂态值。

3 实验验证

FPGA采用Xilinx公司的XC3S500E芯片，该芯片采用的外部时钟晶振的频率为50MHz，时钟周期为20ns，IGBT的模型以Infineon公司生产的FF1400R17IP4型号为参考，稳态工作电压取750V，电流取500A。

在ISE软件中编写仿真测试激励文件，设置时钟信号clk的周期为20ns。ISE中仿真不能实现波形的模拟化，而仿真软件ModelSim可以实现。在ModelSim中的仿真结果如图4所示。

可以看出，图4中显示的状态变换关系符合前文设计逻辑，电压、电流的变化也反映出IGBT的开关过程。然后把软件模型烧录到FPGA中，通过DA电路输出。用示波器观测模型的输出暂态电压如图5所示。可以看出，桥臂开关暂态的电压变化情况较为详细，开通过程持续了约2微妙，关断过程持续约1微妙，与数据手册基本一致，驗证了桥臂模型的正确性。随后，对模型通入PWM调制信号，频率为400Hz，然后观测输出电压，如图6所示，结果表明输出电压与输入开关信号相符，桥臂模型运行正常。

4 总结

本文分析了逆变器桥臂的工作过程，并在FPGA中设计其仿真模型，最后通过在ModelSim和DA输出电路验证了模型的正确性。验证结果显示，该模型对桥臂的工作过程描述符合实际情况，实现了对桥臂暂态和稳态过程的实时、准确仿真。

参考文献：

[1]陈德志，房立伟，赵文良，等.基于晶闸管及IGBT的新型两电平逆变器[J].电工技术学报，2017，32（2）：164-171.

[2]尹平平，王韦华.基于FPGA的直流变压器实时仿真研究[J].电力系统保护与控制，2017，45（10）：127-132.

[3]张金平，赵倩，高巍，等.IGBT新技术及发展趋势[J].大功率变流技术，2017（5）：21-28.

[4]陆臻业，邹毅军，王佳，等.一种基于FPGA的高速电力电子实时仿真方法研究[J].计算机技术及其应用，2016，38（5）：18-21.

[5]孙宏兵，王宝忠.基于FPGA的逆变电源设计[J].常州信息职业技术学院学报，2014，13（6）：16-19.