基于FPGA的AC-AC谐振变换器实现

摘  要： 研究了一种适用于非接触电能传输系统、实现低频到高频直接变换的AC-AC谐振变换器的恒幅控制策略，分析了该变换器的运行模式，设计了基于FPGA的控制系统，并通过实验验证了系统方案的有效性。
关键词： FPGA；AC-AC；谐振变换；感应电能传输
   　非接触电能传输技术或者感应电能传输技术，通过采用电磁耦合的方式可实现电能跨越空气气隙的无接触传递[1]。在轨道交通[2]、机器人、单轨行车、消费电子产品、人体内置医疗设备等领域有着广泛的应用前景，已经成为电力电子领域的研究热点[3-4]。
     非接触电能传输系统的核心环节就是高频交变磁场的产生，目前普遍采用的方法是利用软开关谐振变换器将输入低频交流电（或者直流电）转换为高频交流电，所使用的电路拓扑主要为AC-DC-AC或是DC-AC拓扑[5]。对工频交流输入的场合，传统AC-DC-AC拓扑存在电路复杂、效率低、成本高等缺点。为此，人们提出了一种新型的AC-AC变换拓扑来实现从低频交流到高频交流的直接变换[6]。这种新型的变换拓扑基于一种能量注入控制方法，当输出电流幅值高于设定值时，可使谐振回路的能量自由振荡或者回馈到电网；当输出电流幅值低于设定值时，向谐振回路注入能量。具有电路拓扑简单、可靠性高、转换效率高、低EMI等优点，在非接触电能传输系统及感应加热电源系统中有着很好的应用前景。
     为了实现新型AC-AC变换拓扑所有开关器件的软开关控制及输出电流的幅值控制，本文基于FPGA控制平台设计了系统的实时幅值控制器，分析了系统的控制要求，设计了控制器硬件及软件，并进行了实验验证。
1 AC-AC电路工作原理分析
     能量注入式AC-AC谐振变换器的拓扑结构如图1所示。整个电路由4个MOSFET开关管S1、S2、S3、S4，反并联二极管D1、D2、D3、D4及RLC的串联谐振网络组成。S1、S2及反并联二极管组成的双向开关用于谐振网络的能量注入及能量回馈；而S3、S4及反并联二极管组成的双向开关则用于控制谐振网络内能量的双向流动。
   
       根据输入交流电VAC的不同极性，电路有着互相对称的两个半周期运行模式，即正半周和负半周模式。在每个半周期内，根据谐振电流的不同，电路均存在三种工作模态：能量注入、自由谐振及能量回馈。本文只讨论输入电压正半周时系统的工作模式，负半周时可以对称的形式得到。(1)能量注入模态：该模态中S1、D2导通，其余开关管及二极管关断，能量正向注入谐振回路，谐振电流幅值增大。(2)自由谐振模态：谐振电流正向时，D3、S4导通；谐振电流反向时，S3、D4导通，谐振回路在无能量注入的情况下自由振荡，谐振电流幅值逐渐减小。(3)能量回馈模态：谐振电流反向时，S2、D1导通，谐振回路向电源回馈能量，谐振电流幅值快速减小。